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Opérations sur les limites

Substitution directe pour les limites : quand ça marche et après

La substitution directe calcule une limite en remplaçant x par sa valeur. Quand elle fonctionne, comment lire le résultat et que faire face à 0/0 ou a/0.

Opérations sur les limites Mis à jour Lecture : 3 min

En bref

\lim_{x \to a} f(x) = f(a)
S'applique à
Toute fonction continue en x = a
Fonctionne pour
Les polynômes partout, les fonctions rationnelles là où le dénominateur est non nul, et \sin, \cos, e^x, \ln x, \sqrt{x} sur leur domaine de définition
Si on obtient un nombre
Ce nombre est la limite
Si on obtient 0/0
Forme indéterminée : simplifier, puis substituer à nouveau
Si on obtient a/0 avec a ≠ 0
La limite est infinie ou n'existe pas
Sur cette page
  1. La propriété de substitution directe
  2. Comment lire le résultat
  3. Exemples corrigés
  4. Pourquoi la simplification est permise
  5. Erreurs fréquentes

La substitution directe est le premier réflexe face à une limite : on remplace x par la valeur vers laquelle il tend et on calcule. Si la fonction est continue en ce point, la valeur obtenue est la limite. Si l'on obtient \frac{0}{0} ou un nombre divisé par zéro, le résultat indique quelle technique utiliser ensuite.

La propriété de substitution directe

Si f est continue en x = a, alors

\lim_{x \to a} f(x) = f(a)

C'est en réalité la définition de la continuité lue à l'envers. Elle couvre la plupart des fonctions rencontrées : polynômes, fonctions rationnelles (là où le dénominateur n'est pas nul), racines, exponentielles, logarithmes et fonctions trigonométriques sur leur domaine de définition, ainsi que toutes leurs sommes, produits, quotients et composées. Ce sont les opérations sur les limites qui le garantissent.

Comment lire le résultat

Vous obtenez Ce que cela signifie Étape suivante
Un nombre réel L La limite vaut L Terminé
\frac{0}{0} Forme indéterminée Factoriser, utiliser la quantité conjuguée ou la règle de L'Hôpital
\frac{a}{0} avec a \ne 0 Asymptote verticale Étudier le signe de chaque côté : \pm\infty ou la limite n'existe pas
Indéfini pour une autre raison (comme \sqrt{-1}) a est hors du domaine de définition Étudier les limites à gauche et à droite ou le domaine de définition
Courbe de y = (x² − 1)/(x − 1) avec un trou en x = 1
Substituer x = 1 donne \frac{0}{0}, mais la courbe tend clairement vers 2. Après simplification, x + 1 donne la limite par substitution.

Exemples corrigés

Exemple 1 : on obtient un nombre. Les polynômes et les fonctions trigonométriques sont continus, donc on substitue :

\lim_{x \to 2} (x^3 - 4x + 1) = 8 - 8 + 1 = 1 \qquad \lim_{x \to \pi} \cos x = -1

Exemple 2 : une fonction rationnelle. Le dénominateur en x = 3 vaut 2 \ne 0 :

\lim_{x \to 3} \frac{x^2 + 1}{x - 1} = \frac{10}{2} = 5

Exemple 3 : \frac{0}{0}. Substituer x = 2 dans \frac{x^2 - 4}{x - 2} donne \frac{0}{0}. On factorise, on simplifie, puis on substitue dans l'expression plus simple :

\lim_{x \to 2} \frac{(x - 2)(x + 2)}{x - 2} = \lim_{x \to 2} (x + 2) = 4

Exemple 4 : \frac{0}{0} avec une racine. Pour \lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{x + 9} - 3}{x}, la substitution donne \frac{0}{0}. On multiplie par la quantité conjuguée :

\frac{\sqrt{x+9} - 3}{x} \cdot \frac{\sqrt{x+9} + 3}{\sqrt{x+9} + 3} = \frac{x}{x(\sqrt{x+9} + 3)} = \frac{1}{\sqrt{x+9} + 3}

On substitue maintenant : \frac{1}{3 + 3} = \frac{1}{6}.

Exemple 5 : un nombre non nul divisé par zéro. Pour \lim_{x \to 2} \frac{1}{x - 2}, la substitution donne \frac{1}{0}. À droite, le quotient tend vers +\infty et à gauche vers -\infty, donc la limite n'existe pas.

Pourquoi la simplification est permise

Une limite quand x \to a ne dépend que des valeurs de x proches de a, jamais de x = a lui-même. Les fonctions \frac{x^2-4}{x-2} et x + 2 sont égales pour tout x \ne 2, donc elles ont la même limite en 2. Simplifier ne modifie la fonction qu'en l'unique point que la limite ignore.

Erreurs fréquentes

  1. Dire que \frac{0}{0} vaut zéro, un, ou « n'existe pas ». Ce n'est automatiquement aucun des trois. Cela veut dire « continuer le calcul ».
  2. Substituer dans une fonction qui n'est pas continue en a. Pour une fonction définie par morceaux, la valeur f(a) peut différer de la limite. Étudiez chaque côté.
  3. S'arrêter à \frac{a}{0}. Déterminez le signe de chaque côté pour savoir si la réponse est \infty, -\infty ou si la limite n'existe pas.
  4. Oublier de substituer après avoir simplifié. Tout l'intérêt de la factorisation est d'obtenir une expression dans laquelle on peut substituer.

Quand l'algèbre devient lourde, la règle de L'Hôpital traite \frac{0}{0} à l'aide des dérivées. Pour l'ensemble des techniques, consultez comment calculer une limite.

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Questions fréquentes

Qu'est-ce que la substitution directe pour une limite ?

La substitution directe consiste à calculer \lim_{x \to a} f(x) en calculant f(a). Elle donne le bon résultat dès que f est continue en a.

Que signifie un résultat 0/0 en substitution directe ?

\frac{0}{0} est une forme indéterminée. La limite peut valoir n'importe quel nombre ou ne pas exister : il faut factoriser, utiliser la quantité conjuguée ou la règle de L'Hôpital.

Et si la substitution directe donne un nombre divisé par zéro ?

Si le numérateur tend vers un nombre non nul et le dénominateur vers 0, la fonction explose. Étudiez les limites à gauche et à droite : elles valent \infty ou -\infty, et si elles diffèrent, la limite n'existe pas.

Peut-on toujours utiliser la substitution directe pour un polynôme ?

Oui. Les polynômes sont continus partout, donc \lim_{x \to a} p(x) = p(a) pour tout réel a.

Rédigé par l'équipe PracticeCalculus

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