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Etude D'une Fonction

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Lycée Louis-Le-Grand, Paris Pour le 10/11/2014

MPSI 4 – Mathématiques
A. Troesch

DM no 6 : Étude de fonctions

Problème – Etude d’une fonction réciproque

Soit f la fonction définie sur R par la relation : f (t) = t3 + t.


Dans la première partie, on étudie la fonction réciproque g de f . Dans la deuxième partie, on étudie un algorithme
d’approximation de g à l’aide d’une suite de fonctions rationnelles.
Dans tout le problème, on pourra admettre et utiliser les trois théorèmes suivants :
• Théorème de compacité : Une fonction f continue sur intervalle fermé borné [a, b] est bornée (et atteint ses bornes)
• Inégalité des accroissements finis : si f est une fonction continue sur un intervalle fermé borné [a, b] et dérivable
sur ]a, b[, et si m 6 f ′ 6 M sur ]a, b[, alors

m(b − a) 6 f (b) − f (a) 6 M (b − a).

• Théorème de la bijection : si f est une fonction strictement monotone et continue sur un intervalle I, elle se
corestreint en une bijection de I sur Im(f ).

PARTIE I – Étude de g

1. Variations de g.
(a) Étudier la fonction f . On déterminera notamment le(s) point(s) d’inflexion et la convexité de f .
(b) Tracer la courbe représentative C de f . On tracera la tangente au(x) point(s) d’inflexion
(c) Montrer que f admet une fonction réciproque g : R → R. Ainsi, pour tout x ∈ R,

g 3 (x) + g(x) = x.

(d) Montrer que g est strictement croissante et impaire. Déterminer les limites de g en −∞ et +∞.
(e) Étudier les variations et les propriétés de convexité de g ainsi que les points d’inflexion de g. On donnera
l’expression de g ′ .
(f) Montrer que g est de classe C ∞ .
(g) Tracer la courbe représentative de g dans le même repère que C. Expliquez votre construction.
2. Étude de g ′ – Certaines propriétés de g ′ ne se déduisent pas de f ′ .
(a) La courbe de f ′ admet-elle des points d’inflexion ?
(b) Soit a ∈ R et α une fonction continue sur [a, +∞[. Montrer que si α(a) = lim α(x), alors il existe
x→+∞
c ∈]a, +∞[ tel que α présente un extremum local en c.
(c) En que g ′ admet au moins deux points d’inflexion.
3. Étude locale et asymptotique de g
Lorsque f et g sont définis et ne s’annulent pas sur un voisinage de a (sauf éventuellement en a), on dit que f
f (x)
et g sont équivalents en a, et on note f (x) ∼ g(x) si et seulement si = 1. Ainsi, f et g sont de même ordre
a g(x)
de grandeur lorsque x est proche de a.
(a) Montrer que ∼ est une relation d’équivalence sur l’ensemble Fa des fonctions h pour lesquelles il existe un
a
voisinage V de a tel que pour tout x ∈ V \ {a}, h(x) 6= 0.
(b) Montrer que g(x) ∼ x.
0
(c) En déduire que g(x) − x ∼ −x3 .
0
1
(d) Montrer que g(x) ∼ x . 3
+∞
1
(e) On définit h sur R∗ par g(x) = x 3 (1 + h(x)). Justifier que h est bien défini, et déterminer sa limite en +∞.

1
2
(f) Déterminer une relation satisfaite par h, et en déduire l’existence et la valeur de la limite de x 3 h(x) lorsque
x tend vers +∞.
4. Étude d’une primitive de g – Nécessite le théorème de changement de variables (voir chapitre 9)
Z x
Soit G la fonction définie sur R par la relation G(x) = g(u) du.
0
(a) À l’aide du changement de variable u = f (t), calculer G en fonction de g.
(b) Déterminer les variations et la parité de G.
(c) Déterminer un équivalent de G au voisinage de 0 et un équivalent de G au voisinage de +∞.

PARTIE II – Approximation rationnelle de g


Dans cette partie, on prend x dans l’intervalle [0, +∞[. On interprète g(x) comme l’unique solution de l’équation
t3 + t = x, c’est-à-dire comme l’abscisse du point d’intersection de la courbe C avec la droite Dx parallèle à l’axe des
abscisses, et l’ordonnée x. On se propose d’approcher g par des fonctions rationnelles un , construites par l’algorithme
de Newton. Pour cela, on pose u0 (x) = x et on prend pour u1 (x) l’abscisse du point d’intersection de Dx avec la
tangente à C au point d’abscisse x ; on itère ce processus en considérant l’abscisse un+1 (x) du point d’intersection de
Dx avec la tangente à C au point d’abscisse un (x).
1. Construction de l’algorithme d’approximation
Soit t un nombre réel positif. Expliciter en fonction de t et de x l’abscisse du point d’intersection de Dx avec la
tangente à C au point d’abscisse t. En déduire une relation de récurrence définissant la suite (un (x))n∈N .
2. Étude graphique d’un exemple
Dans cette question, x = 1. Sur une même figure, tracer soigneusement l’arc de C correspondant aux valeurs de
t appartenant à l’intervalle [0, 1] et construire u1 (1) et u2 (1).
3. Étude de l’algorithme
Soit ϕ la fonction numérique qui à tout nombre réel positif t associe :
2t3 + x
ϕ(t) = .
3t2 + 1
(a) Montrer que g(x) est un point fixe de ϕ.
(b) Déterminer, pour tout t > 0, le signe de t − ϕ(t) en fonction de celui de f (t) − x.
(c) Déterminer le signe de ϕ′ (t) en fonction de celui de f (t) − x. En déduire les variations de ϕ sur l’intervalle
[g(x), x].
(d) Montrer que l’intervalle Ix = [g(x), x] est stable par ϕ, c’est-à-dire ϕ(Ix ) ⊂ Ix .
(e) Montrer que pour tout t ∈ [g(x), x],
2
0 6 ϕ′ (t) 6 .
3
4. Étude de la convergence
(a) Montrer que pour tout x > 0, la suite (un (x)) est décroissante, et qu’elle converge vers g(x).
2
(b) Prouver que pour tout nombre entier naturel n, 0 6 un+1 (x) − g(x) 6 (un (x) − g(x)).
3  n
2
(c) Soit a un nombre réel positif. On pose βn = sup (un (x) − g(x)). Montrer que βn 6 a.
x∈[0,a] 3
2t + g(x)
(d) Montrer que, pour tout nombre réel positif t : ϕ(t) − g(x) = (t − g(x))2 .
3t2 + 1
3t
(e) Étudier la fonction t 7→ sur R. On déterminera notamment ses limites, ses extrema, ses points
3t2 + 1
d’inflexion et sa concavité. Tracer l’allure de cette fonction.
√ !2n −1
3
(x − g(x))2 ,
n
(f) En déduire que : 0 6 un (x) − g(x) 6
2
√ !2n −1
3
un (x)3·2 .
n
puis que : 0 6 un (x) − g(x) 6
2
(g) Écrire une fonction en Python prenant en argument un réel x ∈ [0, 1], une marge d’erreur err et calculant
g(x) à la marge d’erreur err près.

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