Comment Appliquer le Théorème des Valeurs Intermédiaires (TVI)

Le théorème des valeurs intermédiaires (TVI) est l’un des résultats les plus intuitifs et puissants sur les fonctions continues. Il affirme qu’une fonction continue sur un intervalle « ne saute aucune valeur ». Son application principale est de prouver l’existence de solutions à des équations de la forme $f(x) = k$.

Énoncé du Théorème

Soit $f$ une fonction continue sur un intervalle $[a, b]$.
Pour tout réel $k$ compris entre $f(a)$ et $f(b)$, il existe au moins un réel $c$ dans l’intervalle $[a, b]$ tel que : $$f(c) = k$$

Illustration du Théorème des Valeurs Intermédiaires f(x) a f(a) b f(b) k c

Cas Particulier Fréquent : Le Corollaire du TVI (ou Théorème de Bolzano)

L’application la plus courante du TVI est de montrer qu’une équation $f(x)=0$ admet une solution.

Corollaire pour les Zéros

Si $f$ est continue sur $[a, b]$ et si $f(a)$ et $f(b)$ sont de signes opposés (c’est-à-dire $f(a) \cdot f(b) < 0$), alors il existe au moins un réel $c \in ]a, b[$ tel que $f(c) = 0$.

La Stratégie en 3 Étapes (pour trouver un zéro)

  1. Poser la fonction : Transformer l’équation en $f(x)=0$ et définir la fonction $f$.
  2. Justifier la continuité : Vérifier que $f$ est continue sur un intervalle $[a, b]$ bien choisi.
  3. Changement de signe : Calculer $f(a)$ et $f(b)$ et montrer qu’ils sont de signes contraires.

Si ces trois conditions sont remplies, on peut conclure que l’équation $f(x)=0$ admet au moins une solution dans $]a, b[$.

Exemple : Montrer que l’équation $x^3 + x = 1$ admet une solution
  1. Poser la fonction : L’équation est équivalente à $x^3 + x – 1 = 0$. On pose $f(x) = x^3 + x – 1$.
  2. Justifier la continuité : $f$ est une fonction polynôme, elle est donc continue sur $\mathbb{R}$ tout entier, et en particulier sur n’importe quel intervalle $[a, b]$. On cherche un intervalle simple. Essayons $[0, 1]$.
  3. Changement de signe :
    • $f(0) = 0^3 + 0 – 1 = -1$
    • $f(1) = 1^3 + 1 – 1 = 1$
    On a bien $f(0) < 0$ et $f(1) > 0$. Donc $f(0) \cdot f(1) < 0$.
  4. Conclusion : $f$ est continue sur $[0, 1]$ et $f(0) \cdot f(1) < 0$. Donc, d'après le corollaire du TVI, il existe au moins un réel $c \in ]0, 1[$ tel que $f(c) = 0$. L'équation admet donc au moins une solution.
Attention : Existence vs Unicité

Le TVI garantit l’existence d’une solution, mais pas son unicité. Pour prouver qu’il n’y a qu’une seule solution, il faut une information supplémentaire.

Théorème de la bijection : Si $f$ est continue ET strictement monotone sur $[a, b]$, alors pour tout $k$ entre $f(a)$ et $f(b)$, il existe un unique réel $c \in [a, b]$ tel que $f(c)=k$.

Dans l’exemple précédent, $f'(x) = 3x^2 + 1 > 0$, donc $f$ est strictement croissante. On peut donc conclure que la solution $c$ est unique.