Continuité et bijection continue en L1 de maths : exercices corrigés

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Ces exercices continuité L1 couvrent tout le chapitre, des premières preuves de limite jusqu’au théorème de Heine. Les six premiers installent les gestes de base : choisir un delta explicite, comparer des limites latérales, prolonger une fonction et appliquer une première fois le théorème des valeurs intermédiaires.

La partie centrale travaille la méthode des deux suites, les points fixes, la bijection continue et les premières questions de continuité uniforme. Enfin, les trois derniers énoncés, dont deux problèmes, demandent de rédiger des preuves complètes, comme en partiel. Nous conseillons de chercher chaque exercice au moins vingt minutes avant d’ouvrir le corrigé, puis de refaire seul les passages qui ont résisté.

Pour démarrer

Exercice 1 – Limite en moins un d’un trinôme par epsilon et delta

On considère la fonction \(f : x \mapsto 2x^2 – x\) définie sur \(\mathbb{R}\). Le but est de prouver, sans théorème d’opérations, que \(f\) tend vers \(3\) en \(-1\).

  1. Factoriser \(2x^2 – x – 3\) par \(x+1\).
  2. Montrer que, si \(|x+1| \leq 1\), alors \(|2x-3| \leq 7\).
  3. Soit \(\varepsilon > 0\). Proposer un \(\delta > 0\) explicite tel que \(|x+1| \leq \delta\) entraîne \(|f(x) – 3| \leq \varepsilon\), et conclure.

Exercice 2 – Quotient par une valeur absolue au point 2

Sur \(\mathbb{R} \setminus \{2\}\), on pose \(f(x) = \frac{x^2-4}{|x-2|}\) et \(g(x) = \frac{(x-2)^2}{|x-2|}\).

  1. Simplifier \(f(x)\) pour \(x > 2\), puis pour \(x < 2\).
  2. Déterminer les limites à gauche et à droite de \(f\) en \(2\). La fonction \(f\) est-elle prolongeable par continuité en \(2\) ?
  3. Simplifier \(g(x)\) et montrer que \(g\) se prolonge par continuité en \(2\).

Le graphe de \(f\) est représenté ci-dessous.

Graphe de x carré moins 4 sur valeur absolue de x moins 2, avec un saut de moins 4 à 4

Exercice 3 – Deux prolongements par continuité

  1. Soit \(u(x) = \frac{x^3-8}{x-2}\) pour \(x \neq 2\). Montrer que \(u\) se prolonge par continuité en \(2\) et préciser la valeur du prolongement.
  2. Soit \(v(x) = x \left\lfloor \frac{1}{x} \right\rfloor\) pour \(x \in \,]0,1]\), où \(\lfloor \cdot \rfloor\) désigne la partie entière. Encadrer \(v(x)\) entre \(1-x\) et \(1\).
  3. En déduire que \(v\) se prolonge par continuité en \(0\).

Exercice 4 – Un sinus d’inverse sans limite en 0

Soit \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\) par \(f(x) = \sin\left(\frac{\pi}{2x}\right)\) si \(x \neq 0\), et \(f(0) = 0\).

  1. Pour \(n \in \mathbb{N}\), calculer \(f\left(\frac{1}{4n+1}\right)\) et \(f\left(\frac{1}{4n+3}\right)\).
  2. En déduire que \(f\) n’admet pas de limite en \(0\). Existe-t-il une valeur de \(f(0)\) qui rende \(f\) continue en \(0\) ?
  3. Montrer, à l’aide de la définition, que \(x \mapsto x f(x)\) est continue en \(0\).

Exercice 5 – Rencontre d’une exponentielle et d’une parabole

On étudie l’équation \(e^{-x} = x^2\) sur \([0, +\infty[\). On pose \(h(x) = e^{-x} – x^2\).

  1. Montrer que \(h\) est continue et strictement décroissante sur \([0,+\infty[\).
  2. Montrer que l’équation admet une unique solution \(\alpha\) dans \([0,+\infty[\), et que \(\alpha \in \,]0,1[\).
  3. À l’aide des valeurs \(e^{-0{,}7} \approx 0{,}4966\) et \(e^{-0{,}8} \approx 0{,}4493\), encadrer \(\alpha\) par deux décimaux distants de \(0{,}1\).

Exercice 6 – Une fraction rationnelle 1-lipschitzienne

Soit \(f(x) = \frac{1}{1+x^2}\) sur \(\mathbb{R}\).

  1. Montrer que \(\frac{|t|}{1+t^2} \leq \frac{1}{2}\) pour tout réel \(t\).
  2. Établir, pour tous réels \(x\) et \(y\), l’égalité \(f(x) – f(y) = \frac{(y-x)(y+x)}{(1+x^2)(1+y^2)}\).
  3. En déduire que \(|f(x) – f(y)| \leq |x-y|\), puis que \(f\) est uniformément continue sur \(\mathbb{R}\).

Pour s’entraîner

Exercice 7 – Deux limites en plus l’infini par définition

Chaque limite est à établir directement avec les quantificateurs, sans théorème d’opérations.

  1. Montrer que \(\frac{3x+1}{x+2}\) tend vers \(3\) quand \(x\) tend vers \(+\infty\).
  2. Montrer que \(\sqrt{x}\) tend vers \(+\infty\) quand \(x\) tend vers \(+\infty\).
  3. Écrire avec des quantificateurs l’assertion « \(\ln x\) tend vers \(-\infty\) quand \(x\) tend vers \(0\) par la droite », puis la démontrer.

Exercice 8 – Fonction invariante par dilatation de rapport 3

Soit \(f\) une fonction réelle définie sur \(\mathbb{R}\), continue en \(0\) et telle que \(f(3x) = f(x)\) pour tout réel \(x\).

  1. Montrer que \(f(x) = f\left(\frac{x}{3^n}\right)\) pour tout réel \(x\) et tout entier \(n\).
  2. En déduire que \(f\) est constante.
  3. Vérifier que la fonction signe, égale à \(1\) sur \(]0,+\infty[\), à \(-1\) sur \(]-\infty,0[\) et à \(0\) en \(0\), vérifie la relation. Quelle hypothèse est en défaut ?

Exercice 9 – Une fonction continue en un seul point

Soit \(g : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) définie par \(g(x) = x^2\) si \(x \in \mathbb{Q}\), et \(g(x) = 2x – 1\) si \(x \notin \mathbb{Q}\).

  1. Montrer que, pour \(|x-1| \leq 1\), on a \(|g(x) – 1| \leq 3|x-1|\). En déduire que \(g\) est continue en \(1\).
  2. Soit \(a \neq 1\). À l’aide d’une suite de rationnels et d’une suite d’irrationnels qui tendent vers \(a\), montrer que \(g\) n’est pas continue en \(a\).

Exercice 10 – Points fixes sur un segment

  1. Soit \(f : [0,1] \to [0,1]\) continue. En étudiant \(x \mapsto f(x) – x\), montrer que \(f\) admet un point fixe.
  2. Montrer que \(x \mapsto \frac{1+x}{2}\) envoie \([0,1[\) dans \([0,1[\) sans y avoir de point fixe. Quelle hypothèse de la question 1 manque ?
  3. Soit \(f : [a,b] \to \mathbb{R}\) continue telle que \([a,b] \subset f([a,b])\). Montrer que \(f\) admet un point fixe.

Exercice 11 – Corde horizontale de longueur un tiers

Soit \(f\) continue sur \([0,1]\) telle que \(f(0) = f(1)\). On pose \(g(x) = f\left(x+\frac{1}{3}\right) – f(x)\) pour \(x \in \left[0, \frac{2}{3}\right]\).

  1. Calculer \(g(0) + g\left(\frac{1}{3}\right) + g\left(\frac{2}{3}\right)\).
  2. En déduire qu’il existe \(c \in \left[0, \frac{2}{3}\right]\) tel que \(f\left(c + \frac{1}{3}\right) = f(c)\). Interpréter sur le graphe de \(f\).

Exercice 12 – Maximum atteint sur toute la droite réelle

Soit \(f\) continue sur \(\mathbb{R}\), de limite nulle en \(-\infty\) et en \(+\infty\), et telle que \(f(0) = 1\).

  1. Montrer qu’il existe \(A > 0\) tel que \(f(x) \leq \frac{1}{2}\) pour tout \(x\) vérifiant \(|x| \geq A\).
  2. En déduire que \(f\) est majorée sur \(\mathbb{R}\) et qu’elle y atteint sa borne supérieure.
  3. Avec \(f(x) = \frac{1}{1+x^2}\), montrer qu’une telle fonction n’atteint pas forcément sa borne inférieure.

Exercice 13 – Réciproque de x plus logarithme de x

Soit \(f(x) = x + \ln x\) sur \(]0,+\infty[\).

  1. Montrer que \(f\) réalise une bijection de \(]0,+\infty[\) sur \(\mathbb{R}\).
  2. Calculer \(f^{-1}(1)\) et \(f^{-1}(e+1)\).
  3. Justifier que \(f^{-1}\) est continue et strictement croissante, puis donner ses limites en \(-\infty\) et en \(+\infty\).
  4. Montrer que \(\frac{f^{-1}(y)}{y}\) tend vers \(1\) quand \(y\) tend vers \(+\infty\).

La figure montre les courbes de \(f\) et de \(f^{-1}\).

Courbes de x plus logarithme de x et de sa réciproque, qui se croisent au point de coordonnées 1 et 1

Exercice 14 – Une bijection explicite de R sur un intervalle ouvert

Soit \(\theta(x) = \frac{x}{|x|+1}\) pour \(x \in \mathbb{R}\).

  1. Montrer que \(\theta\) est impaire, continue, et à valeurs dans \(]-1,1[\).
  2. Montrer que \(\theta\) est strictement croissante sur \([0,+\infty[\), puis sur \(\mathbb{R}\).
  3. En déduire que \(\theta\) est une bijection de \(\mathbb{R}\) sur \(]-1,1[\), et déterminer explicitement \(\theta^{-1}\).
  4. Vérifier directement que \(\theta^{-1}\) est continue sur \(]-1,1[\).

Exercice 15 – Sinus du carré et continuité uniforme

Soit \(f(x) = \sin(x^2)\) sur \([0,+\infty[\). Pour \(n \geq 1\), on pose \(x_n = \sqrt{n\pi + \frac{\pi}{2}}\) et \(y_n = \sqrt{n\pi}\).

  1. Montrer que \(x_n – y_n = \frac{\pi}{2(x_n + y_n)}\), puis que \(x_n – y_n\) tend vers \(0\).
  2. Calculer \(|f(x_n) – f(y_n)|\).
  3. En déduire que \(f\) n’est pas uniformément continue sur \([0,+\infty[\). Est-elle uniformément continue sur \([0,10]\) ?

Exercice 16 – Racine carrée uniformément continue mais non lipschitzienne

  1. Montrer que, pour \(0 \leq y \leq x\), on a \(\sqrt{x} – \sqrt{y} \leq \sqrt{x-y}\). On pourra développer \(\left(\sqrt{y} + \sqrt{x-y}\right)^2\).
  2. En déduire que \(|\sqrt{x} – \sqrt{y}| \leq \sqrt{|x-y|}\) pour tous \(x, y \geq 0\), puis que la racine carrée est uniformément continue sur \([0,+\infty[\).
  3. Montrer que la racine carrée n’est lipschitzienne sur aucun intervalle \([0, r]\) avec \(r > 0\).

Pour approfondir

Exercice 17 – Continue et injective implique strictement monotone

Soit \(f\) continue et injective sur un intervalle \(I\). On fixe \(x < y\) et \(x^{\prime} < y^{\prime}\) dans \(I\). Pour \(t \in [0,1]\), on pose \(p(t) = (1-t)x + t x^{\prime}\), \(q(t) = (1-t)y + t y^{\prime}\) et \(\psi(t) = f(q(t)) – f(p(t))\).

  1. Montrer que \(p(t)\) et \(q(t)\) appartiennent à \(I\), et que \(p(t) < q(t)\) pour tout \(t \in [0,1]\).
  2. Montrer que \(\psi\) est continue sur \([0,1]\) et ne s’annule pas.
  3. En déduire que \(f(y) – f(x)\) et \(f(y^{\prime}) – f(x^{\prime})\) ont le même signe.
  4. Conclure que \(f\) est strictement monotone sur \(I\).

Exercice 18 – Problème : continuité uniforme et prolongement au bord

Soit \(f\) uniformément continue sur \(]0,1]\). On admet qu’une suite réelle de Cauchy converge.

  1. Soit \((u_n)\) une suite de \(]0,1]\) qui tend vers \(0\). Montrer que \((f(u_n))\) est une suite de Cauchy, donc convergente.
  2. Soit \((v_n)\) une autre suite de \(]0,1]\) qui tend vers \(0\). En considérant la suite \((w_n)\) définie par \(w_{2n} = u_n\) et \(w_{2n+1} = v_n\), montrer que \((f(u_n))\) et \((f(v_n))\) ont la même limite.
  3. En déduire que \(f\) admet une limite finie en \(0\) et se prolonge en une fonction continue sur \([0,1]\).
  4. Montrer que la fonction \(\sigma\), définie sur \(]0,1]\) par \(\sigma(x) = \sin\left(\frac{1}{x}\right)\), n’y est pas uniformément continue.
  5. Montrer en revanche que \(x \mapsto x \sin\left(\frac{1}{x}\right)\) est uniformément continue sur \(]0,1]\).

Exercice 19 – Problème : fonctions continues et périodiques

Soit \(T > 0\) et \(f\) une fonction réelle, continue sur \(\mathbb{R}\) et \(T\)-périodique.

  1. Montrer que \(f\) est bornée sur \(\mathbb{R}\) et qu’elle y atteint ses bornes.
  2. Soit \(\varepsilon > 0\). Le théorème de Heine sur \([0, 2T]\) fournit un \(\delta\), que l’on peut supposer inférieur ou égal à \(T\). Montrer que ce \(\delta\) convient pour tous \(x, y\) réels, et en déduire que \(f\) est uniformément continue sur \(\mathbb{R}\).
  3. Montrer que \(x \mapsto x^2\) n’est périodique pour aucune période \(T > 0\).
  4. On suppose de plus que \(f\) admet une limite finie \(\ell\) en \(+\infty\). Montrer que \(f\) est constante.

Pour aller plus loin

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