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Comment montrer qu’une fonction est continue en un point

    Comment Montrer qu’une Fonction est Continue en un Point

    Intuitivement, une fonction est continue en un point si sa courbe ne présente ni « trou », ni « saut » en ce point. Mathématiquement, la continuité formalise cette idée en comparant la valeur de la fonction à sa limite.

    Définition de la Continuité

    Soit $f$ une fonction définie sur un intervalle $I$ et soit $a$ un point de $I$.

    On dit que $f$ est continue en $a$ si la limite de $f(x)$ quand $x$ tend vers $a$ est égale à $f(a)$.

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

    Les Trois Conditions à Vérifier

    La définition $\lim_{x \to a} f(x) = f(a)$ impose trois conditions qui doivent être remplies simultanément :

    1. $f(a)$ doit exister : Le point $a$ doit appartenir au domaine de définition de $f$.
    2. $\lim_{x \to a} f(x)$ doit exister et être finie : La fonction doit admettre une limite réelle en $a$. Cela signifie notamment que la limite à gauche et la limite à droite doivent exister et être égales.
    3. La limite doit être égale à $f(a)$ : La valeur de la limite doit coïncider avec la valeur de la fonction au point $a$.

    Exemple 1 : Fonction polynomiale

    Montrer que la fonction $f(x) = 2x^2 – 3x + 1$ est continue en $a=5$.

    1. Vérifier que $f(5)$ existe : $f$ est un polynôme, donc $D_f = \mathbb{R}$. Le point $a=5$ est bien dans le domaine. $f(5) = 2(5^2) – 3(5) + 1 = 50 – 15 + 1 = 36$.
    2. Calculer la limite : Pour une fonction polynomiale, la limite en un point est simplement la valeur de la fonction en ce point. $\lim_{x \to 5} (2x^2 – 3x + 1) = 2(5^2) – 3(5) + 1 = 36$.
    3. Comparer : On constate que $\lim_{x \to 5} f(x) = 36$ et $f(5) = 36$.

    Puisque $\lim_{x \to 5} f(x) = f(5)$, la fonction $f$ est bien continue en 5.

    Exemple 2 : Fonction définie par morceaux

    Soit la fonction $g$ définie par : $ g(x) = \begin{cases} x + 3 & \text{si } x < 1 \\ 5 - x^2 & \text{si } x \ge 1 \end{cases} $
    La fonction $g$ est-elle continue en $a=1$ ?

    1. Vérifier que $g(1)$ existe : Pour $x=1$, on utilise la deuxième expression. $g(1) = 5 – 1^2 = 4$.
    2. Calculer la limite : Comme la définition de la fonction change en 1, il faut calculer les limites à gauche et à droite.
      • Limite à gauche : $\lim_{x \to 1^-} g(x) = \lim_{x \to 1^-} (x+3) = 1+3 = 4$.
      • Limite à droite : $\lim_{x \to 1^+} g(x) = \lim_{x \to 1^+} (5-x^2) = 5-1^2 = 4$.
      Les limites à gauche et à droite sont égales, donc la limite existe et vaut 4 : $\lim_{x \to 1} g(x) = 4$.
    3. Comparer : On a $\lim_{x \to 1} g(x) = 4$ et $g(1) = 4$.

    La condition est vérifiée, donc la fonction $g$ est continue en 1.

    Cas Particulier : Le Prolongement par Continuité

    Parfois, une fonction n’est pas définie en un point $a$, mais admet une limite finie $L$ en ce point. C’est le cas par exemple de $f(x) = \frac{\sin x}{x}$ en $a=0$.

    On peut alors « réparer » la fonction en créant une nouvelle fonction $\tilde{f}$, appelée prolongement par continuité de $f$ en $a$, définie comme suit :

    $ \tilde{f}(x) = \begin{cases} f(x) & \text{si } x \neq a \\ L & \text{si } x = a \end{cases} $

    Cette nouvelle fonction $\tilde{f}$ est, par construction, continue en $a$.