Terminale Spé Maths / Chapitre 3 : Continuité et TVI
Continuité et TVI : le cours
Une fonction continue, c'est une fonction dont la courbe se trace sans lever le crayon.
Cette image simple cache un théorème puissant : le théorème des valeurs intermédiaires.
Il garantit qu'une équation a une solution sans avoir besoin de la calculer.
C'est l'outil de base de tous les exercices « montrer que l'équation admet une unique solution ».
Dans tout le cours, tu verras des astuces 💡, des pièges ⚠️ et un peu d'humour 😄.
🎯 Comment utiliser ce cours
- Lis une partie, puis fais tout de suite la fiche correspondante.
- Les parties 5, 6 et 7 sont les plus rentables au bac : apprends la méthode « unique solution » comme une formule.
- Le Guide de rédaction (dernière leçon du chapitre) te donne les phrases exactes à écrire.
1. Continuité en un point
Soit définie sur un intervalle et . On dit que est continue en si . Cela revient à dire que :
La limite à gauche, la limite à droite et la valeur en coïncident.
⚠️ Pièges
- Il faut que soit définie en . Sans , on ne parle pas de continuité en .
- Une limite qui existe ne suffit pas : elle doit être égale à . (Exemple : si et n'est pas continue en .)
- Trois nombres à comparer : la limite à gauche, la limite à droite, et la valeur.
2. Continuité sur un intervalle et fonctions usuelles
Une fonction est continue sur un intervalle si elle est continue en tout point de . Sont continues sur leur ensemble de définition :
- les polynômes ;
- les fractions rationnelles ;
- la racine carrée (sur ) ;
- la valeur absolue ;
- l'exponentielle ;
- le cosinus et le sinus.
Opérations : la somme, le produit et la composée de fonctions continues sont continues. Le quotient de deux fonctions continues est continu là où le dénominateur ne s'annule pas.
Dérivabilité : toute fonction dérivable sur est continue sur . La réciproque est fausse : la fonction valeur absolue est continue en mais n'est pas dérivable en .
💡 Astuce de rédaction : « La fonction est continue sur comme somme, produit et composée de fonctions continues sur », ou plus court : « est dérivable sur , donc continue sur ». C'est la phrase qui ouvre presque tous les exercices de ce chapitre.
⚠️ Piège : la partie entière n'est pas continue en un entier. À gauche de , ; en et à droite, .
3. Fonctions définies par morceaux et prolongement par continuité
Fonction par morceaux. Pour étudier la continuité en un point de raccordement , on calcule les trois nombres :
- ;
- ;
- .
La fonction est continue en si et seulement s'ils sont égaux. Un paramètre s'obtient en écrivant cette égalité.
Exemple. si et si . En :
Pour que soit continue en , il faut et il suffit que , c'est-à-dire .
Prolongement par continuité. Si n'est pas définie en mais que (un réel), on peut prolonger par continuité en posant .
Par exemple, n'est pas définie en . Mais pour , , donc . On prolonge en posant .
4. Continuité, limites et suites
Si est continue en et si , alors . En particulier, pour une suite définie par :
- si et si est continue en , alors ;
- comme tend aussi vers , on obtient .
C'est exactement la justification de la méthode « la limite vérifie » du chapitre Suites.
⚠️ Piège : cette égalité exige la continuité de en et la convergence de . Sans l'une ou l'autre, elle n'est pas justifiée.
5. Le théorème des valeurs intermédiaires (TVI)
Théorème. Soit une fonction continue sur un intervalle . Pour tout réel compris entre et , l'équation admet au moins une solution dans .
Cas particulier le plus utilisé : si est continue sur et si et sont de signes contraires (), alors l'équation admet au moins une solution dans .
Version avec des limites. Le théorème s'étend aux intervalles ouverts, y compris infinis : on remplace et par les limites de aux bornes.
⚠️ Pièges
- Le TVI donne l'existence, jamais l'unicité. Pour l'unicité, il faut la stricte monotonie (partie 6).
- La continuité est indispensable : sur change de signe sans jamais s'annuler.
- Le nombre doit être entre et : sinon, aucune conclusion.
😄 Le TVI, c'est la promesse qu'une courbe continue ne peut pas se téléporter : pour aller de à , elle passe par toutes les valeurs intermédiaires.
6. Le corollaire du TVI : existence et unicité
Corollaire. Soit une fonction continue et strictement monotone sur . Pour tout réel compris entre et , l'équation admet une unique solution dans .
Version avec limites. Si est continue et strictement monotone sur un intervalle ouvert (bornes éventuellement infinies), alors, pour tout réel strictement compris entre les limites de en et en , l'équation admet une unique solution dans .
7. La méthode « existence et unicité d'une solution »
- Continuité : justifie que est continue sur l'intervalle (le plus souvent : « est dérivable, donc continue »).
- Stricte monotonie : étudie le signe de et conclus « est strictement croissante (ou décroissante) sur l'intervalle ».
- Valeurs aux bornes : calcule et (ou les limites), et vérifie que est compris entre elles (souvent pour ).
- Conclusion : « D'après le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires, l'équation admet une unique solution dans l'intervalle ».
💡 Astuce : le tableau de variations complet (avec limites ou valeurs aux bornes) est la meilleure pièce justificative. Il montre en même temps la monotonie et les valeurs aux bornes.
Exemple. Montrons que admet une unique solution dans .
Soit . est dérivable sur , donc continue. , donc est strictement croissante sur .
Comme , d'après le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires, l'équation admet une unique solution dans .
Plusieurs solutions. Si n'est pas monotone sur tout l'intervalle, on découpe l'intervalle en morceaux où est strictement monotone.
On applique le corollaire sur chacun.
Le nombre de solutions est la somme des nombres de solutions trouvées.
8. Encadrer une solution : balayage, dichotomie et Python
Balayage. On calcule en des points régulièrement espacés (pas , puis ) jusqu'à trouver un changement de signe. Comme est strictement monotone, la solution est dans l'intervalle où le signe change.
Dichotomie. On coupe l'intervalle en deux, on garde la moitié où le signe change, et on recommence. La largeur de l'intervalle est divisée par à chaque étape : après étapes, elle vaut .
Le script de dichotomie à connaître ( strictement monotone, ) :
def dichotomie(f, a, b, e):
while b - a > e:
m = (a + b)/2
if f(m)*f(a) <= 0:
b = m
else:
a = m
return a, b
💡 Le produit f(m)*f(a) <= 0 signifie que change de signe (ou s'annule) entre et : la solution est dans . Sinon, elle est dans .
⚠️ Pièges : la dichotomie suppose continue et de signe contraire aux extrémités. Et « largeur » veut dire b - a <= e : compte le nombre d'itérations avec .
9. Les 10 pépites du chapitre
- Tableau de variations d'abord, avec limites ou valeurs aux bornes : il justifie la monotonie et les bornes d'un seul coup.
- Plusieurs solutions ? Applique le corollaire sur chaque intervalle de stricte monotonie.
- Signes contraires : écris ou, mieux, .
- Équation : pose et cherche .
- Point fixe : pose et applique le TVI à .
- Existence unicité : sans stricte monotonie, tu n'as que l'existence.
- Précise toujours l'intervalle et vérifie que et lui appartiennent.
- Donne des valeurs approchées cohérentes : et justifient .
- Calculatrice ou Python : mode « table » pour le balayage, dichotomie pour la précision.
- Conclus par la phrase-type : « D'après le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires… ».
Complément du programme : la méthode de Newton
La dichotomie divise l'intervalle par deux à chaque étape. La méthode de Newton va beaucoup plus vite : on remplace la courbe par sa tangente.
Principe. Si est dérivable et si , la tangente en coupe l'axe des abscisses en
Exemple. s'annule une seule fois sur (elle est continue et strictement croissante, avec ). On a et on part de .
x = 1
for k in range(4):
x = x - (x**3 + x - 1) / (3 * x**2 + 1)
print(k + 1, x)
On lit ; ; ; : quatre étapes suffisent pour décimales correctes, alors que la dichotomie en demande environ dix-sept.
Variante : la méthode de la sécante. On remplace la tangente par la droite qui passe par et : elle coupe l'axe des abscisses en . Elle évite le calcul de .
⚠️ Pièges :
- Si , la formule n'a plus de sens : la tangente est horizontale.
- Un mauvais point de départ peut faire diverger la méthode : choisis proche de la solution.
10. Ce qui peut tomber au bac
- Une équation dont il faut montrer qu'elle a une unique solution, puis qu'on encadre à (fiches 2 et 3).
- Des fonctions définies par morceaux avec un paramètre (fiche 1).
- Un lien suites et continuité : limite d'une suite définie par , ou suite définie comme solution d'une équation.
- Un algorithme de dichotomie à compléter ou à interpréter (fiche 3).
Tu as maintenant le cours. Passe aux trois fiches, aux exercices type bac, puis au Guide de rédaction du chapitre.
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.
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