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Terminale Spé Maths / Chapitre 3 : Continuité et TVI

Fiche 2 : le théorème des valeurs intermédiaires

Huit exercices sur l'utilisation du TVI pour prouver l'existence d'une solution : changement de signe, plusieurs solutions, point fixe, TVI avec limites, repérage d'erreurs de raisonnement.

Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac : continuité justifiée, valeurs calculées, hypothèse « kk est compris entre f(a)f(a) et f(b)f(b) » vérifiée, phrase de conclusion.

💡 Le modèle de rédaction du TVI

« La fonction ff est continue sur [a ;b][a\,;b] (justification).

De plus f(a)=…f(a)=\dots et f(b)=…f(b)=\dots, donc 00 est compris entre f(a)f(a) et f(b)f(b).

D'après le théorème des valeurs intermédiaires, l'équation f(x)=0f(x)=0 admet au moins une solution dans [a ;b][a\,;b]. »

  • Pour montrer qu'une équation a au moins une solution, on cherche un changement de signe.
  • Pour une équation f(x)=g(x)f(x)=g(x), on pose h=f−gh=f-g.
  • Pour un point fixe f(c)=cf(c)=c, on pose g(x)=f(x)−xg(x)=f(x)-x.

⚠️ Les pièges classiques

  • Appliquer le TVI sans justifier la continuité (c'est l'hypothèse la plus souvent oubliée).
  • Dire que la solution est unique : le TVI donne seulement l'existence.
  • Prendre un kk qui n'est pas compris entre f(a)f(a) et f(b)f(b).
  • Oublier de préciser l'intervalle où se trouve la solution.

😄 Le TVI est un théorème d'existence : il te dit « la solution existe », pas « voici où elle habite ».


Exercice 1 (★) : le changement de signe

Montrer que l'équation x3+x−1=0x^3+x-1=0 admet au moins une solution dans [0 ;1][0\,;1].

✏️ Correction de l'exercice 1

Soit ff la fonction définie sur R\R par f(x)=x3+x−1f(x)=x^3+x-1. La fonction ff est un polynôme, donc elle est continue sur [0 ;1][0\,;1].

De plus f(0)=−1<0f(0)=-1<0 et f(1)=1+1−1=1>0f(1)=1+1-1=1>0. Donc 00 est compris entre f(0)f(0) et f(1)f(1).

D'après le théorème des valeurs intermédiaires :

✅ l'équation f(x)=0f(x)=0 admet au moins une solution cc dans [0 ;1][0\,;1].

Comme f(0)≠0f(0)\neq0 et f(1)≠0f(1)\neq0, on a même c∈ ]0 ;1[c\in\,]0\,;1[.


Exercice 2 (★) : deux équations

1. Montrer que l'équation x2=2x^2=2 admet au moins une solution dans [1 ;2][1\,;2].

2. Montrer que l'équation ex=3xe^x=3x admet au moins une solution dans [0 ;1][0\,;1].

✏️ Correction de l'exercice 2

Question 1

Soit f(x)=x2−2f(x)=x^2-2, un polynôme, donc continu sur [1 ;2][1\,;2]. On a f(1)=−1<0f(1)=-1<0 et f(2)=2>0f(2)=2>0. D'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe c∈ ]1 ;2[c\in\,]1\,;2[ tel que f(c)=0f(c)=0, c'est-à-dire c2=2c^2=2.

✅ L'équation x2=2x^2=2 admet au moins une solution dans [1 ;2][1\,;2].

Question 2

Soit g(x)=ex−3xg(x)=e^x-3x. La fonction gg est continue sur [0 ;1][0\,;1], comme différence de fonctions continues. On a g(0)=e0−0=1>0g(0)=e^0-0=1>0 et g(1)=e−3<0g(1)=e-3<0 car e<3e<3. Donc 00 est compris entre g(1)g(1) et g(0)g(0).

D'après le théorème des valeurs intermédiaires :

✅ il existe c∈ ]0 ;1[c\in\,]0\,;1[ tel que g(c)=0g(c)=0, c'est-à-dire ec=3ce^c=3c.


Exercice 3 (★★) : avec le cosinus

Montrer que l'équation cos⁡x=x\cos x=x admet au moins une solution dans [0 ;1][0\,;1].

✏️ Correction de l'exercice 3

Soit h(x)=cos⁡x−xh(x)=\cos x-x. La fonction hh est continue sur [0 ;1][0\,;1], comme différence de deux fonctions continues (le cosinus est continu sur R\R).

On a h(0)=cos⁡0−0=1>0h(0)=\cos0-0=1>0. Et h(1)=cos⁡1−1h(1)=\cos1-1. Comme cos⁡1<1\cos1<1 (cos⁡1≈0,54\cos1\approx0{,}54), h(1)<0h(1)<0. Donc 00 est compris entre h(1)h(1) et h(0)h(0).

D'après le théorème des valeurs intermédiaires :

✅ l'équation h(x)=0h(x)=0, c'est-à-dire cos⁡x=x\cos x=x, admet au moins une solution dans ]0 ;1[]0\,;1[.


Exercice 4 (★★★) : au moins trois solutions

Soit p(x)=x5−5x+1p(x)=x^5-5x+1. Calculer p(−2)p(-2), p(0)p(0), p(1)p(1) et p(2)p(2), puis montrer que l'équation p(x)=0p(x)=0 admet au moins trois solutions distinctes.

✏️ Correction de l'exercice 4

Les valeurs

p(−2)=−32+10+1=−21p(-2)=-32+10+1=-21

p(0)=1p(0)=1

p(1)=1−5+1=−3p(1)=1-5+1=-3

p(2)=32−10+1=23p(2)=32-10+1=23

Le TVI sur trois intervalles

La fonction pp est un polynôme, donc continue sur R\R.

• Sur [−2 ;0][-2\,;0] : p(−2)<0<p(0)p(-2)<0<p(0). D'après le TVI, il existe une solution dans ]−2 ;0[]-2\,;0[.

• Sur [0 ;1][0\,;1] : p(1)<0<p(0)p(1)<0<p(0). D'après le TVI, il existe une solution dans ]0 ;1[]0\,;1[.

• Sur [1 ;2][1\,;2] : p(1)<0<p(2)p(1)<0<p(2). D'après le TVI, il existe une solution dans ]1 ;2[]1\,;2[.

Les trois intervalles ]−2 ;0[]-2\,;0[, ]0 ;1[]0\,;1[ et ]1 ;2[]1\,;2[ sont deux à deux disjoints.

✅ L'équation p(x)=0p(x)=0 admet donc au moins trois solutions distinctes.

Remarque : le TVI ne permet pas de dire qu'il y en a exactement trois. Pour cela, il faudrait la stricte monotonie sur chaque intervalle (corollaire, fiche 3).


Exercice 5 (★★) : un point fixe

Soit ff une fonction continue sur [0 ;1][0\,;1] et à valeurs dans [0 ;1][0\,;1] (c'est-à-dire 0≤f(x)≤10\le f(x)\le1 pour tout x∈[0 ;1]x\in[0\,;1]). Montrer qu'il existe c∈[0 ;1]c\in[0\,;1] tel que f(c)=cf(c)=c.

✏️ Correction de l'exercice 5

Soit gg la fonction définie sur [0 ;1][0\,;1] par g(x)=f(x)−xg(x)=f(x)-x. La fonction gg est continue sur [0 ;1][0\,;1], comme différence de deux fonctions continues.

On a g(0)=f(0)−0=f(0)≥0g(0)=f(0)-0=f(0)\ge0, car ff est à valeurs dans [0 ;1][0\,;1]. De même g(1)=f(1)−1≤0g(1)=f(1)-1\le0, car f(1)≤1f(1)\le1. Donc 00 est compris entre g(1)g(1) et g(0)g(0).

D'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe c∈[0 ;1]c\in[0\,;1] tel que g(c)=0g(c)=0.

✅ Donc f(c)=cf(c)=c.

Remarque : cc peut être une des extrémités (si f(0)=0f(0)=0 ou f(1)=1f(1)=1), d'où l'intervalle fermé.


Exercice 6 (★★) : repérer les erreurs

Voici trois raisonnements d'élèves. Dans chaque cas, repère l'erreur et propose un contre-exemple.

1. « Soit f(x)=1xf(x)=\dfrac1x. On a f(−1)=−1<0f(-1)=-1<0 et f(2)=12>0f(2)=\dfrac12>0. D'après le TVI, ff s'annule sur [−1 ;2][-1\,;2]. »

2. « ff est continue sur [0 ;3][0\,;3], f(0)=2f(0)=2 et f(3)=5f(3)=5. D'après le TVI, l'équation f(x)=6f(x)=6 admet une solution dans [0 ;3][0\,;3]. »

3. « ff est continue sur [0 ;2][0\,;2], f(0)=−3f(0)=-3 et f(2)=3f(2)=3. D'après le TVI, ff s'annule exactement une fois sur [0 ;2][0\,;2]. »

✏️ Correction de l'exercice 6

Raisonnement 1

La fonction f(x)=1xf(x)=\dfrac1x n'est pas définie en 00, donc elle n'est pas continue sur [−1 ;2][-1\,;2].

L'hypothèse de continuité du TVI n'est pas vérifiée.

En fait, 1x\dfrac1x ne s'annule jamais.

Raisonnement 2

Le nombre 66 n'est pas compris entre f(0)=2f(0)=2 et f(3)=5f(3)=5. Le TVI ne s'applique pas. Contre-exemple : f(x)=x+2f(x)=x+2 est continue, f(0)=2f(0)=2, f(3)=5f(3)=5, et f(x)=6f(x)=6 équivaut à x=4x=4, qui n'est pas dans [0 ;3][0\,;3].

Raisonnement 3

Le TVI donne seulement l'existence (au moins une solution), pas l'unicité.

Contre-exemple : f(x)=(2x−1)(x−1)(2x−3)f(x)=(2x-1)(x-1)(2x-3) est un polynôme, f(0)=−3f(0)=-3, f(2)=3f(2)=3.

Et ff s'annule en 12\dfrac12, 11 et 32\dfrac32 : trois fois sur [0 ;2][0\,;2].


Exercice 7 (★★) : une équation f(x)=g(x)f(x)=g(x)

Montrer que l'équation ex=2−xe^x=2-x admet au moins une solution dans [0 ;1][0\,;1].

✏️ Correction de l'exercice 7

Soit h(x)=ex−(2−x)=ex+x−2h(x)=e^x-(2-x)=e^x+x-2. La fonction hh est continue sur [0 ;1][0\,;1], comme somme de fonctions continues. Résoudre ex=2−xe^x=2-x revient à résoudre h(x)=0h(x)=0.

On a h(0)=1+0−2=−1<0h(0)=1+0-2=-1<0. Et h(1)=e+1−2=e−1>0h(1)=e+1-2=e-1>0 (car e>1e>1). Donc 00 est compris entre h(0)h(0) et h(1)h(1).

D'après le théorème des valeurs intermédiaires :

✅ l'équation h(x)=0h(x)=0, c'est-à-dire ex=2−xe^x=2-x, admet au moins une solution dans ]0 ;1[]0\,;1[.


Exercice 8 (★★★) : le TVI avec des limites

Soit P(x)=x5+3x+7P(x)=x^5+3x+7. Montrer que l'équation P(x)=0P(x)=0 admet au moins une solution dans R\R.

✏️ Correction de l'exercice 8

La fonction PP est un polynôme, donc continue sur R\R.

Limite en +∞+\infty. Quand x→+∞x\to+\infty, x5→+∞x^5\to+\infty et 3x→+∞3x\to+\infty, donc, par somme, lim⁡x→+∞P(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}P(x)=+\infty. Par définition de la limite, il existe un réel BB tel que P(x)>0P(x)>0 pour tout x≥Bx\ge B.

Limite en −∞-\infty. Quand x→−∞x\to-\infty, x5→−∞x^5\to-\infty et 3x→−∞3x\to-\infty, donc, par somme, lim⁡x→−∞P(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to-\infty}P(x)=-\infty.

Par définition de la limite, il existe un réel AA tel que P(x)<0P(x)<0 pour tout x≤Ax\le A.

Quitte à diminuer AA, on peut supposer A<BA<B.

Conclusion. Alors PP est continue sur [A ;B][A\,;B], avec P(A)<0<P(B)P(A)<0<P(B). D'après le théorème des valeurs intermédiaires :

✅ il existe c∈ ]A ;B[c\in\,]A\,;B[ tel que P(c)=0P(c)=0.

À retenir : tout polynôme de degré impair s'annule au moins une fois sur R\R. Ici, on peut le vérifier directement : P(−2)=−31<0P(-2)=-31<0 et P(−1)=3>0P(-1)=3>0, donc la solution est dans ]−2 ;−1[]-2\,;-1[.


🎯 Ce qui peut tomber au bac

  • Un changement de signe à justifier (exercices 1, 2, 3, 7).
  • Des plusieurs solutions avec un tableau de valeurs (exercice 4).
  • Un point fixe avec g(x)=f(x)−xg(x)=f(x)-x (exercice 5).
  • Un TVI avec limites sur un intervalle infini (exercice 8).
  • Un vrai/faux qui teste les erreurs classiques (exercice 6).

QCM : vérifie tes acquis

10 questions, une seule bonne réponse chacune. Choisis une réponse : la correction s'affiche tout de suite. Ton score est enregistré dans Mon espace.

Question 1 sur 10

Le théorème des valeurs intermédiaires dit que si ff est continue sur [a ;b][a\,;b] et si kk est compris entre f(a)f(a) et f(b)f(b), alors f(x)=kf(x)=k admet :

Question 2 sur 10

Pour affirmer qu'une solution est unique, on ajoute l'hypothèse que ff est :

Question 3 sur 10

Pour f(x)=x3+x−1f(x)=x^3+x-1 sur [0 ;1][0\,;1], on a f(0)=−1f(0)=-1 et f(1)=1f(1)=1. Que peut-on dire ?

Question 4 sur 10

f(x)=1xf(x)=\dfrac1x vérifie f(−1)=−1<0<1=f(1)f(-1)=-1<0<1=f(1) mais ne s'annule pas sur [−1 ;1][-1\,;1]. Pourquoi cela ne contredit-il pas le TVI ?

Question 5 sur 10

Si ff est continue sur [0 ;1][0\,;1] avec f(0)=−2f(0)=-2 et f(1)=3f(1)=3, alors ff s'annule :

Question 6 sur 10

Dans l'exercice 2, sur quel intervalle montre-t-on que l'équation ex=3xe^x=3x admet une solution ?

Question 7 sur 10

Dans l'exercice 4, avec p(x)=x5−5x+1p(x)=x^5-5x+1, combien de solutions distinctes l'équation p(x)=0p(x)=0 admet-elle au moins ?

Question 8 sur 10

Dans l'exercice 5 (point fixe), quelle hypothèse est essentielle sur ff pour appliquer le TVI à g(x)=f(x)−xg(x)=f(x)-x ?

Question 9 sur 10

Dans l'exercice 6, quelle est l'erreur du raisonnement sur f(x)=1xf(x)=\dfrac1x avec f(−1)=−1f(-1)=-1 et f(2)=12f(2)=\dfrac12 ?

Question 10 sur 10

Dans l'exercice 8, avec P(x)=x5+3x+7P(x)=x^5+3x+7, sur quel type d'intervalle cherche-t-on une solution ?

Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.

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