Limite (mathématiques élémentaires)
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La notion de limite est très intuitive malgré sa formulation abstraite. Pour les mathématiques élémentaires il convient de distinguer une limite en un point réel fini (pour une fonction numérique) et une limite en 
ou 
(pour une fonction numérique ou une suite), ces deux cas apparement différents pouvant être unifiés à travers la notion topologique de voisinage.
Les limites servent (entre autres) à définir les notions fondamentales de continuité et de dérivabilité.
Pour une présentation générale, plus complète et plus abstraite, se référer à Limite (mathématiques).
Sommaire |
[modifier] Limite d'une fonction en un point a
[modifier] Limites finies
Si 
est une fonction numérique et 
un point de 
, on dira que le réel 
est la limite de en si :
- intuitivement :
se rapproche de à mesure que 
se rapproche de ; - plus rigoureusement, pour tout « écart de tolérance »
on peut trouver un « écart de confiance » 
tel que, dès que est proche de à 
près, alors est proche de à 
près :
-
-
- (illustration 1)
-
Autrement dit, on peut rendre aussi proche de que souhaité sur un intervalle, si petit soit-il, autour de .
Dans ce cas on écrira 
.
[modifier] Limites infinies
Il se peut aussi qu'au point la fonction n'ai pas de limite finie mais une limite infinie : à mesure que l'on se rapproche de la valeur de devient de plus en plus « proche » de 
(respectivement 
), c'est-à-dire de plus en plus grande (resp. plus grande en valeur absolue mais avec un signe négatif). La formulation mathématique est alors la suivante : pour tout « seuil de tolérance » 
on peut trouver un « écart de confiance » tel que, dès que est proche de à près, alors est plus grande (resp. plus petite) que :
(resp. 
)
-
-
- (illustration 2)
-
Autrement dit, on peut rendre aussi proche de 
que souhaité sur un intervalle, si petit soit-il, autour de .
Dans ce cas on écrira 
(ou 
).
[modifier] Limites à gauche, à droite
Il arrive que le comportement local de la fonction soit différent « à gauche » de (soit pour les 
) et « à droite » de (soit pour les 
). Par exemple, une fonction peut admettre une limite à droite mais pas à gauche, ou alors admettre deux limites différentes de chaque côté.
-
-
- (illlustration 3)
-
On est donc amené à introduire les notions de limite à droite et à gauche ; la seule différence avec les limites « normales » expliquées ci-dessus est qu'on impose la proximité de avec ou seulement d'un seul côté de . Les définitions et notations correspondantes deviennent donc :
- pour la limite à gauche :
lorsque
lorsque
- pour la limite à droite :
lorsque
lorsque
Les notions de limites à droite et à gauche sont moins restrictives que la notion classique de limite « bilatérales » : une fonction peut avoir une limite à gauche et une limite à droite sans avoir de limite. En fait on a la propriété :
Une fonction a une limite en un point si et seulement si elle a une limite à gauche 
et une limite à droite 
et qu'elles sont égales : 
[modifier] Limite d'une fonction en ±∞
On s'intéresse ici, non plus au comportement local d'une fonction en un point réel fini mais à son comportement « aux limites », soit quand croît indéfiniment (limite en ) soit quand décroît indéfiniment (limite en ).
On peut noter que dans ce cadre la notion de limite à droite ou à gauche n'a plus de sens ; en fait les limites en sont toujours des limites à gauche et les limites en sont toujours des limites à droite.
[modifier] Limites finies
Dire que la fonction admet la limite finie en revient à dire que se rapproche de à mesure que grandit (ou « tend vers plus l'infini »).
Mathématiquement, cela se traduit par le fait que pour tout « écart de tolérance » on peut donner un « seuil de confiance » 
au-delà duquel notre fonction restera dans l'intervalle de tolérance, de centre et de rayon : 
-
-
- (illustration 4)
-
Autrement dit, on peut rendre aussi proche de que souhaité à partir d'un certain seuil, si lointain soit-il.
Dans ce cas on écrira 
.
Tout ceci s'adapte facilement dans le cas d'une limite en : on dit que tend vers quand x tend vers si pour un écart on peut trouver un seuil 
tel que : 
et on écrira alors 
.
[modifier] Limites infinies
[modifier] Limite d'une suite
- Voir article détaillé : Limite de suite
[modifier] Introduction
Les suites sont le type particulier des fonctions dont le domaine de définition est 
ou une partie de . Il est donc inutile de considérer la limite éventuelle d'une suite en un point négatif, ou non-entier, ou encore en . Ce qui nous laisse comme possibilités a priori, les entiers naturels et .
Mais on voit rapidement que l'étude de la limite d'une suite en un entier 
serait inintéressante ; en effet l'ensemble est discret c'est-à-dire que ses points « ne sont pas voisins les uns des autres », et donc il est sans interêt d'étudier le comportement local d'une suite. Ainsi le seul cas de figure envisageable est le cas de la limite d'une suite en , et on parlera donc de « limite d'une suite » sans préciser qu'il s'agit d'une limite en . On pourra même noter 
au lieu de 
.
[modifier] Définition, convergence, divergence
La définition d'une suite découle assez naturellement de la restriction à une fonction définie sur de la définition de la limite en d'une fonction quelconque.
- Cas d'une limite finie : pour tout « écart de tolérance » il existe un « rang de confiance »
tel que, pour à partir du rang 
, la valeur 
est proche de à près :
On note alors 
, et on dit que 
tend (ou plutôt converge) vers .
Une suite qui admet une limite finie est dite convergente. On a la propriété suivante : Toute suite convergente est bornée.
- Cas d'une limite infinie : pour tout « seuil de tolérance » on peut trouver un « rang de confiance » à partir duquel les valeurs de sont supérieures (resp. inférieures) à :
pour 
pour 
On dit alors que tend (ou plutôt diverge) vers (resp. vers ).
NB: On parle de suite convergente seulement lorsqu'une suite admet une limite finie, et de suite divergente dans tous les autres cas, c'est-à-dire pour les suites divergeant vers ou pour les suites n'ayant pas de limite.
[modifier] Théorèmes assurant la convergence
Théorème 1: Toute suite majorée croissante est convergente.
Théorème 2: Toute suite minorée décroissante est convergente.
[modifier] Suites extraites
On appelle suite extraite de la suite une suite qu'on construit en énumérant les termes de sauf certains qu'on laisse de côté ; ainsi on ne garde qu'une partie de l'information. L'exemple le plus classique est celui des suites 
qui est formée par les termes de rang pair, et 
qui est formée par les termes de rang impair.
Plus généralement, on appelle « extraction » toute application 
strictement croissante. Alors une suite extraite est une suite de la forme 
.
Une propriété importante est que si une suite admet une limite (finie ou infinie) alors toute suite extraite admet la même limite.
NB: La réciproque est en général fausse, ainsi qu'on peut le constater en prenant la suite 
; alors est la suite constante égale à 
et donc elle converge vers , ce qui n'est pas le cas de la suite qui est divergente.
On peut par contre affirmer : Si les suites et admettent la même limite, alors la suite admet elle aussi cette limite commune. On peut donc ramener l'étude de la convergence d'une suite à celle des suites de rangs pair et impair qui peuvent s'avérer plus simples.
