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
Sup / Inf
-
Max : le + grand, ∃x d’office
-
Min : le + petit, ∃ min
-
Majorant : + grand que tout l’ensemble
-
Minorant : + petit
-
borne : les deux
-
Sup : + petit majorant
-
Inf : + grand minorant
-
si ∃ Max ⇒ Sup = Max ; si ∃ Min ⇒ Inf = Min
-
∄ Maj ⇒ Sup A:=+∞ ; ∄ Min ⇒ Inf A:=−∞
Axiome : ∀A=∅, majore ⇒∃ Sup A ; minore ⇒∃ Inf A
Symboles
- R+, R−, R∗, [0;+∞[, ]−∞;0[
- intervalles : [], ][, [[, ]]
- ⌊x⌋ = le + grand n∈Z t.q. n≤x
2
∃x t.q. x2=2, ∀n∈N∗, xn=y, ∀n∈N∗ : ∃ une seule ny=x, i.e. y≥0
Densite
“dense dans R” : ∀x>y, y∈R, ∃z∈R t.q. x>z>y
- Q est dense dans R
- R est dense dans R
- R∖Q est dense dans R
Valeur absolue et distance
∣x∣,∣x1−x2∣=dist(x1,x2)
Prop — inegalite triangulaire : ∣x+y∣≤∣x∣+∣y∣
Ensemble ouvert / ferme
- ouvert : ∃ toujours un nombre avant et apres chaque nombre — ∀x∈A, ∃ε>0 t.q. ]x−ε,x+ε[⊂A
- ferme : complementaire ouvert — Gc:=R∖G
- G:A+B⇒ ouvert ; ferme ⇔ ferme ↑
Chap II — Nombres complexes C
Definitions
z=a+bi=(a;b),a,b∈R
- zˉ:=a−bi
- ∣z∣:=a2+b2
- Re(z):=a=2z+zˉ
- Im(z):=b=2iz−zˉ
Operations
z+z′=(a+a′;b+b′)
z⋅z′=(aa′−bb′;ab′+a′b)
z=r(cosθ+isinθ),a=rcosθ,b=rsinθ
- Arg(z)=θ
- Arg(zˉ)=−Arg(z)
- Arg(z⋅z′)=Arg(z)+Arg(z′)
- Arg(zn)=nArg(z)
- tanθ=b/a, ∀a=0
ez=eRe(z)(cos(Im(z))+isin(Im(z)))
- ∣ez∣=eRe(z), Arg(ez)=Im(z)
- forme exp/polaire : reiθ
- nombres purement imaginaires : eiy=cosy+isiny
Formule de Moivre : zn=rn(cos(nθ)+isin(nθ))=rneinθ, ∀n≥2
Identites :
- eiπ+1=0
- eiπ/2=i
- ei2kπ=1, ∀k∈Z
- ∀ω∈C (∣ω∣=r, Arg(ω)=θ) : z⋅ω tourne z d’un angle θ puis le multiplie par le module r
Plan complexe
Im (axe vertical), Re (axe horizontal), ∣z∣ = distance a l’origine, θ = argument
Polynomes a coefficients reels
P(z) avec ak∈R ∀k ⇒ P(zˉ)=P(z) ; P(z∗)=0⇒P(zˉ∗)=0
Thm fondamental de l’algebre
P(z)=a0+a1z+a2z2+⋯+anzn, z∗∈C t.q. P(z∗)=0 = racine
Thm : dans C, tout P avec n≥1 possede au moins une racine.
Division euclidienne : P(z) avec n≥1, z0∈C fixe ⇒∃Q(z) avec deg=n−1 t.q. :
P(z)=(z−z0)Q(z)+P(z0),∀z∈C
Thm : dans C, tout P avec n≥1 possede n racines :
∃z1,…,zn∈C t.q. P(zk)=0∀k,P(z)=an(z−z1)⋯(z−zn)
→ racines pas necessairement distinctes ⇒ (z−zi)α
Si P, n=2k+1, ak∈R ∀k ⇒ au moins 1 racine reelle
→ tout P(z) a coeff R se factorise en produit de polynomes de degre 1 ou 2 irreductibles a coeff R
FAC : trouver z par tatonnement → div. euclidienne → recommencer.
Chap III — Suites
Definitions
(an), n≥n0
- croissante : an≤an+1 ∀n
- decroissante : an≥an+1 ∀n
- monotone si un des deux
- convergente : ∃L
- divergente : ∄L (L:=±∞)
- majoree : ∃ cst M t.q. an≤M ∀n ; minoree : ∃m ; bornee : les deux
Limite
Tend vers L : n→∞liman=L : ∀ε>0, ∃N∈N t.q. ∣an−L∣≤ε ∀n≥N
- si ∃L ⇒ unique
- an converge ⇒ an bornee
- an→L ⇒ ∣an∣→∣L∣
- operat : lim(an+bn)=liman+limbn ; lim(an⋅bn)=liman⋅limbn ; an≥bn ⇒ liman≥limbn (∀n suff. gd)
an→+∞ : ∀M>0, ∃N∈Z t.q. an≥M ∀n≥N
Si an→∞ :
- −1/an→0
- bn→+∞ ⇒ an⋅bn→+∞
- bn bornee ⇒ bn/an→0
- bn≥δ>0 ∀n suff. gd ⇒ an⋅bn→+∞
Limite sup / inf
Mn:=sup{an,an+1,…} (decroissante),mn:=inf{an,an+1,…} (croissante)
mn≤an≤Mn
limsupan:=limMn,liminfan:=limmn
liman=L⇔limsupan=liminfan=L
Serie geometrique
Sn:=1+λ+λ2+⋯+λn
- λ>1 ⇒ Sn→+∞
- ∣λ∣<1 ⇒ Sn→1−λ1
- −λ≤−1 ⇒ diverge
en:=(1+n1)n→e(strictement croissante, 2≤en≤3)
∞−∞, 0⋅∞, ∞/∞, 0/0, 1∞, ∞0, 00
→ extraire le terme dominant ; a2−b2=(a−b)(a+b)
Thm : x→0lim : xsinx=1, xex−1=1, xlog(x+1)=1, x21−cosx=21
Equivalence : an∼bn : an/bn→1
- bnan=elogan−logbn ; anbn=ebnlogan
Thm Bolzano–Weierstrass
Sous-suite : (bk)=(ank)
Thm : de toute suite bornee, on peut extraire une sous-suite convergente.
(xn)∈[a,b]⇒∃L∈[a,b] et ∃(xnk)→L
Suite de Cauchy
Une suite est de Cauchy si : ∀ε>0, ∃N∈Z t.q. ∣an−am∣≤ε ∀m,n≥N
(qd une suite converge, les termes sont proches les uns des autres)
Thm : dans R : convergente ⇔ de Cauchy
Theoremes d’etudes
- Chien mechant : an→+∞ et an≤bn ⇒ bn→+∞
- Deux gendarmes : an≤xn≤bn, liman=limbn=L ⇒ limxn=L
- Si xn bornee, yn→0 ⇒ ynxn→0
- Monotone + bornee : croissante + Maj ou decroissante + Min ⇒ converge
Critere d’Alembert (suite) :
ρ:=limn→∞anan+1
- 0≤ρ<1 ⇒ an→0
- ρ>1 ⇒ an diverge ; ρ>1, an>0 ⇒ an→+∞
Comportement : log(n)≤nc≤Cn, C∈R
Chap IV — Suite de recurrence
Definition
Soit g:R→R, x∈R ; (an) est definie par :
- son premier terme : x0=a
- par recurrence, ∀n>0 : xn+1=g(xn)
Point fixe : x∗ est pt fixe si g(x∗)=x∗ ; si x0=x∗ ⇒ suite cst.
Thm : si xn+1=g(xn) est convergente et si g:R→R est continue, limxn=x∗ (pt fixe de g)
⇒ si x0= pt fixe ⇒ x0 = la limite.
Methode 1 — observation
Ecrire les premiers termes et observer, verifier les observations.
Ex : xn+1=1+xn/2 :
- x0>2 : decroissante, majoree
- x0=2 : cst
- x0<2 : croissante, minoree
⇒ les 2 cas bornes convergent ; comme ∃L, on remplace dans l’equ. :
xn+1=1+2xn⇒L=1+2L⇒L=2
Methode 2 — expression explicite
On veut exprimer xn en fonction de x0 (par recurrence).
Ex : xn=2(1−(21)n)+(21)nx0→2
Methode 3 — suite de Cauchy
∣xk+1−xk∣=21∣xk−xk−1∣
∀n>m : ∣xn−xm∣≤∑⋯→0 ∀x0∈R ⇒ suite de Cauchy ⇒∃L ⇒ methode 1.
Graphique (cobweb)
Construction pour visualiser :
- partir de (xn,0)
- monter (v) au graphe g : (xn,g(xn))=(xn,xn+1)
- glisser (h) a y=x pour (xn+1,xn+1)
- redescendre (v) a (xn+1,0)
Point fixe = intersection de g et y=x
Chap V — Series numeriques
Definition + proprietes
∑nan=Sn:=a0+a1+⋯+an,S0:=a0,S1:=a0+a1,…
Δ important : si non contradictoire (1−1+1−1+⋯)
-
converge : n→∞limn=0∑∞an=S ∃
-
diverge : =±∞
-
si ∑nan converge ⇒ an→0 (pas ⇐)
-
si ∑an et ∑bn convergent :
- ∑(an+bn)=∑an+∑bn
- ∑λan=λ∑an, ∀λ∈R
-
la convergence depend d’un nombre fini de termes
∑nnp1
Thm : p∈R fixe : si p>1 ⇒ converge ; si p≤1 ⇒ diverge.
Tres sensible : n1,000011<∞ ; n0,999991=∞
∑nλn
- si ∣λ∣<1 ⇒ converge
- si non ⇒ diverge
Serie telescopique
∑n≥1(xn−xn−1)
Thm : si xn→L ⇒ ∑an converge et vaut n→∞lim(xn−x0)=L−x0
Serie dependant d’un parametre
x↦f(x):=∑n≥1an(x),f:I→R
D(f)={x∈I∑n≥1an(x) converge}
Ex : f(x)=∑n≥0cos(3nx)/2n ⇒ D(f)=R : continue partout, derivable nulle part
Critere de Leibniz
Soit an=(−1)nxn, si :
- xn≥0
- xn decroissant
- xn→0
⇒ ∑an converge
(diagramme : S0,S1,S2,… oscillent en convergeant vers S)
Theoremes d’etude
Critere de comparaison : soit 0≤an≤bn, ∀n>N∈Z :
- si ∑bn converge ⇒ ∑an converge
- si ∑an diverge ⇒ ∑bn diverge
Limite quotient : an,bn>0 ∀n≥N∈Z, ∃α:=n→∞limbnan :
- si α>0 ⇒ ∑an et ∑bn convergent ou divergent ensemble
- si α=0 et ∑bn converge ⇒ ∑an converge
- si α=+∞ et ∑bn diverge ⇒ ∑an diverge
Critere de d’Alembert :
ρ:=limn→∞anan+1,∃ρ est +∞
- si ρ<1 ⇒ ∑an converge
- si ρ>1 ⇒ diverge
- si ρ=1 ⇒ ne dit rien
Critere de Cauchy :
σ:=limsupn→∞n∣an∣
- si σ<1 ⇒ ∑an converge
- si σ>1 ⇒ diverge
Convergence absolue
∑nan converge absolument : ∑∣an∣ converge
Thm : ∑∣an∣ converge ⇒ ∑an converge
Chap VI — Fonctions R
Monotonie
I⊂R, f:I→R
- croissante : f(x)≤f(x′) ∀x,x′∈I, x<x′
- decroissante : f(x)≥f(x′) ∀x,x′∈I, x>x′
- constante si les deux
- variant : trouver l’intervalle sur lequel f′ est croissante ou decroissante
Periodicite
f est t-periodique : t>0, f:R→R, f(x+t)=f(x) ∀x∈R
t min = la periode de f=T
Thm : f:R→R, Tf ; g:R→R, Tg : si Tf/Tg∈Q ⇒ f+g est periodique
Parite / Imparite
- paire : f:D→R ⇒ f(−x)=f(x) ∀x∈D
- impaire : f:D→R ⇒ f(−x)=−f(x) ∀x∈D
- montrer que non : contre-exemple
Thm : si D est symetrique, toute fonction f:D→R peut s’ecrire de maniere unique comme somme d’une fonction paire et d’une impaire
Convexite / Concavite
Intervalle I, f:I→R, ∀λ∈[0,1], x1<x2
- convexe : ∀x1,x2∈I : f((1−λ)x1+λx2)≤(1−λ)f(x1)+λf(x2)
- concave : si −f est convexe
Thm : f:D→R :
- si A⊂B⊂D ⇒ supAf≤supBf, infAf≥infBf
- sup(−f)=−inff
- sup(f+g)≤supf+supg
- ∀α>0, β∈R ⇒ sup(αf+β)=αsupf+β
Min / Max, Sup / Inf
f:D→R
- max (global) : ∃x∗∈D t.q. f(x)≤f(x∗) ∀x∈D
- min (global) : ∃x0∈D t.q. f(x)≥f(x0) ∀x∈D
- majorant : ∃M∈R t.q. f(x)≤M ∀x∈D
- minorant : ∃m∈R t.q. f(x)≥m ∀x∈D
- bornee si les deux
- Sup f = si majoree, le plus petit majorant ; sinon +∞
- Inf f = si minoree, le plus grand minorant ; sinon −∞
- egal a Max/Min si ceux-ci existent
Chap VII — Limites de fonctions
Voisinage epointe
V=]x0−α,x0[∪]x0,x0+α[,α>0
f definie dans un voisinage si ∃V t.q. f(x) est defini ∀x∈V
Limite en un point
f→L∈R quand x→x0 :
∀ε>0,∃δ>0 t.q. ∣f(x)−L∣≤ε quand 0<∣x−x0∣≤δ
⇒limx→x0f(x)=L
- si ∃L ⇒ unique
Car : x→x0limf(x)=L iff ∀(an)=x0 et an→x0 : n→∞limf(an)=L
→ montrer que la limite n’existe pas : utiliser des suites laterales ou des limites laterales differentes
Limite laterale
- x→x0+ : dans ]x0,x0+α[
- x→x0− : dans ]x0−α,x0[
limx→x0f(x)=L⇔limx→x0+f(x)=limx→x0−f(x)=L
Proprietes
lim(f±g)=limf±limg,lim(f⋅g)=limf⋅limg,f(x)≤g(x)⇒limf≤limg
Deux gendarmes : g(x)≤f(x)≤h(x) ∀x∈V, si limg=limh=L ⇒ limf=L
Limite infinie
x→x0, ∀M>0, ∃δ>0 t.q. f(x)≥M quand 0<∣x−x0∣≤δ
Si f(x)→∞ :
- limx→x01/f(x)=0
- g→∞ : f+g=∞ et f⋅g=∞
- g borne : f+g=+∞, g/f=0
- g→L=0 : f⋅g=+∞ si L>0, =−∞ si L<0
- δ>0 t.q. g≥δ ∀x∈V ⇒ f⋅g=+∞
- g≥f ∀x∈V ⇒ g(x)→+∞
Limites finies (x→∞)
f:Dom(f)=]a,+∞[ :
limx→∞f(x)=L:∀ε>0,∃N>0 t.q. ∣f(x)−L∣≤ε quand x≥N
Limites infinies (f(x)→∞)
limx→∞f(x)=∞ iff ∀M>0,∃N>0 t.q. f(x)≥M des que x≥N
Indetermine 0/0
- polynomes → factorisation (x−x0)
- methode du conjugue
Thm : x→0lim :
xsinx=1,x21−cosx=21,xlog(x+1)=1,xex−1=1
Chap VIII — Continuite
Definition
D⊂R ouvert, f:D→R continue en x0 si :
limx→x0f(x)=f(x0)
Si la limite n’existe pas ou est differente de f(x0), alors f est discontinue.
Fonctions elementaires continues
- polynomes : continus sur R
- sin et cos : continus sur R ; tan : continue sur R∖{π/2+kπ∣k∈Z}
- ax, ∀a>0 : continue sur R
- loga(x), ∀a>0 : continue sur R∗+
Continuite laterale
- f continue a gauche : x→x0−limf(x)=f(x0)
- f continue a droite : x→x0+limf(x)=f(x0)
Thm : f est continue ssi elle est continue a gauche et a droite.
Continuite sur un intervalle compact
f:[a,b]→R continue sur :
- continue en tout x0∈]a,b[
- continue a droite en x0=a
- continue a gauche en x0=b
Thm : soit f:[a,b]→R continue ⇒ f est bornee.
Thm : f:[a,b]→R continue ⇒ f atteint son max et son min.
f:[a,b]→R continue, f(a)<f(b) :
∀h:f(a)<h<f(b)⇒∃c∈]a,b[ t.q. f(c)=h
⇒ un polynome a coefficients reels de degre impair possede au moins une racine reelle
Thm : f:[a,b]→R. Im(f) est donnee par : Im(f)=[minf(x),maxf(x)]
Prolongement
x0∈I, I′:=I∖{x0} : si x→x0limf(x)=L existe, alors on peut definir f(x0):=L
Continuite et calcul de limite
limf(g(x)) avec g(x)→y0 et f continue en y0 :
limf(g(x))=f(limg(x))=f(y0)
Handwritten Notes
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