Application : Associe à tout élément de E un et un seul élément de F.
Image d’une application : L’image d’une application f:E→F est l’ensemble Imf={y∈F∣∃x∈E,y=f(x)} des éléments de F qui possèdent au moins un antécédent.
Composition des applications : Si f:E→F et g:F→G sont des applications, leur composée g∘f:E→G est définie par (g∘f)(x)=g(f(x)), ce qui signifie qu’on applique d’abord f puis g.
Application réciproque : Une application g:F→E est réciproque de f:E→F si f∘g=idF et g∘f=idE.
★ À maîtriser
📌 Une application est injective lorsque deux éléments distincts de E ont des images distinctes, surjective lorsque tout élément de F possède un antécédent, et bijective lorsque tout élément de F possède un unique antécédent.
📌 Une application f admet une application réciproque si et seulement si elle est bijective, et cette application réciproque est unique et notée f^{-1}.
📐 Formule — Pour deux applications bijectives f:E→F et g:F→G, la composée est bijective et vérifie (g∘f)−1=f−1∘g−1.
Compléments
L’application x↦sin x est surjective de R dans [−1,+1] mais n’est pas injective, tandis qu’elle est bijective de [−π/2,+π/2] dans [−1,+1].
📌 La composition des applications est associative : pour f:E→F, g:F→G et h:G→H, h∘(g∘f)=(h∘g)∘f.
💡 Astuce mémo
Application : définir, composer, inverser
📖 2. Structure et propriétés des réels
🔑 Notions clés & Définitions
Loi de composition interne : Une loi de composition interne sur un ensemble E associe à tout couple d’éléments de E un résultat qui appartient encore à E.
Groupe abélien : Une loi de composition interne est une loi de groupe si elle est associative, possède un élément neutre et si tout élément admet un opposé ; le groupe est abélien si la loi est en plus commutative.
Partie entière : Le plus grand entier inférieur ou égal à x ; par exemple, E(3.2)=3 et E(−3.2)=−4.
Intervalle de R : Un intervalle de R est une partie de R contenant tout le segment reliant deux de ses éléments ; il peut être ouvert, fermé ou semi-ouvert.
Partie bornée : Une partie A de R est majorée s’il existe M tel que tout x∈A vérifie x≤M, minorée s’il existe m tel que m≤x pour tout x∈A, et bornée si elle est à la fois majorée et minorée.
Borne supérieure : La borne supérieure sup A d’une partie non vide et majorée A de R est son plus petit majorant, qu’il appartienne ou non à A.
Borne inférieure : La borne inférieure inf A d’une partie non vide et minorée A de R est son plus grand minorant, qu’il appartienne ou non à A.
📝 Points essentiels
Un réel qui n’est pas rationnel est appelé irrationnel, et √2, π et e sont des exemples de nombres irrationnels cités dans le cours.
La relation ≤ sur R est réflexive, transitive et antisymétrique, et elle est compatible avec l’addition ainsi qu’avec la multiplication par un réel positif.
L’axiome de la borne supérieure affirme que toute partie non vide et majorée de R admet une borne supérieure, ce qui exprime la complétude de R.
💡 Astuce mémo
Q contient les rationnels ; R ajoute les irrationnels et la complétude
📖 3. Définition et convergence des suites
🔑 Notions clés & Définitions
Suite numérique : Une application de N dans R, généralement notée (un)n∈N, où un est le terme général.
Convergence d’une suite : Si, pour tout ε>0, il existe N∈N tel que n>N implique ∣un−ℓ∣<ε.
Suite extraite : Une suite de la forme (uφ(n)), où φ:N→N est strictement croissante.
★ À maîtriser
📌 Toute suite extraite d’une suite convergente converge vers la même limite que la suite initiale.
Compléments
La suite un=(−1)n diverge, car ses sous-suites (u2n) et (u2n+1) convergent respectivement vers 1 et −1.
💡 Astuce mémo
Définir → converger → extraire → comparer
📖 4. Propriétés des suites convergentes
🔑 Notions clés & Définitions
Suite monotone : Une suite est croissante si un≤un+1 pour tout n, décroissante si un+1≤un, et monotone si elle est croissante ou décroissante.
★ À maîtriser
📌 Toute suite convergente est bornée.
📌 Toute suite croissante et majorée est convergente, et toute suite décroissante et minorée est convergente.
📐 Formule — Si (un) et (vn) convergent respectivement vers u^ et v^, alors limn→∞(un+vn)=u^+v^ et limn→∞(λun)=λu^.
Compléments
📌 La somme d’une suite tendant vers +∞ et d’une suite tendant vers −∞ est une indétermination de type +∞−∞, tandis que le produit d’une suite tendant vers l’infini par une suite tendant vers zéro est une indétermination de type 0×∞.
💡 Astuce mémo
Croissante majorée, décroissante minorée
📖 5. Suites particulières et récurrence
🔑 Notions clés & Définitions
Suites adjacentes : Lorsque la première est croissante, la seconde décroissante et que leur différence tend vers zéro.
Suite de Cauchy : Si, pour tout ε>0, il existe N tel que, pour tous m,n≥N, on ait ∣um−un∣≤ε.
📝 Points essentiels
📌 Deux suites adjacentes convergent toutes deux vers la même limite.
📌 Une suite réelle converge si et seulement si elle est une suite de Cauchy.
💡 Astuce mémo
Contraction de Lipschitz → convergence vers le point fixe
📖 6. Suites récurrentes d’ordre un
🔑 Notions clés & Définitions
Suite récurrente d’ordre 1 : est définie par un terme initial u₀ donné et la relation un+1=f(un) pour n ≥ 0, où seul le terme uₙ intervient explicitement dans la définition de uₙ₊₁.
★ À maîtriser
📌 Si f vérifie la condition de Lipschitz ∣f(x)−f(y)∣≤K∣x−y∣ avec 0 < K < 1 et possède un point fixe l tel que l = f(l), alors toute suite définie par un+1=f(un) converge vers l.
Compléments
📐 Formule — Sous les hypothèses de Lipschitz et de point fixe, l’écart à la limite vérifie 0≤∣un−l∣≤Kn∣u0−l∣.
💡 Astuce mémo
Contraction de f → rapprochement vers le point fixe
📖 7. Définition et convergence des séries
🔑 Notions clés & Définitions
Série de terme général : Étant donnée une suite (uₙ), la série de terme général uₙ est la suite des sommes partielles définies par Sn=∑i=0nui=u0+u1+⋯+un.
Convergence d’une série : Une série de terme général uₙ converge si la suite de ses sommes partielles Sₙ converge, et sa somme est alors S=limn→∞Sn=∑i=0∞ui.
★ À maîtriser
📌 La série géométrique ∑n=0∞rn converge si |r| < 1 et sa somme vaut 1−r1 ; elle diverge pour les autres valeurs de r.
📌 Une condition nécessaire de convergence d’une série est que son terme général tende vers 0, c’est-à-dire un→0.
Compléments
📐 Formule — Pour r ≠ 1, les sommes partielles de la série géométrique vérifient Sn=∑i=0nri=1−r1−rn+1.
📌 Si deux séries convergent, leur série somme converge et la somme de la série somme est la somme de leurs sommes ; pour tout réel λ, la série de terme général λuₙ converge et sa somme vaut λ fois la somme de la série initiale.
💡 Astuce mémo
Somme partielle finie Sn ≠ somme S définie par une limite
📖 8. Séries de Riemann
🔑 Notions clés & Définitions
Série de Riemann : Pour α réel, la série de Riemann est la série de terme général un=nα1, dont les sommes partielles sont Sn=∑k=1nkα1.
★ À maîtriser
La série de Riemann ∑n=1∞nα1 diverge et tend vers +∞ si α ≤ 1, tandis qu’elle converge si α > 1.
Pour deux séries à termes généraux réels positifs telles que uₙ ∼ vₙ, l’une converge si et seulement si l’autre converge, et l’une diverge si et seulement si l’autre diverge.
Si une suite positive vérifie un∼nαA avec A > 0, alors la série de terme général uₙ converge si et seulement si α > 1.
Compléments
La série de terme général un=2n3+1n+cosn converge car un∼2n21 et la série de Riemann d’exposant 2 converge.
💡 Astuce mémo
α ≤ 1 diverge, α > 1 converge
📖 9. Définitions des limites
🔑 Notions clés & Définitions
Limite en un point : La fonction f tend vers l lorsque x tend vers a si, pour tout ε>0, il existe η>0 tel que 0<|x−a|<η entraîne |f(x)−l|<ε.
Voisinage d’un point : Partie de R qui contient un intervalle ouvert de la forme ]a−α,a+α[ avec α>0.
Limite à l’infini : Si f est définie sur ]ω,+∞[, f tend vers l quand x tend vers +∞ si, pour tout ε>0, il existe B≥ω tel que x>B entraîne |f(x)−l|<ε.
📝 Points essentiels
La limite à droite en a utilise les valeurs a<x<a+η, tandis que la limite à gauche utilise les valeurs a−η<x<a.
Une fonction admet une limite en a si et seulement si ses limites à droite et à gauche en a existent et sont égales.
La limite de f en a est caractérisée par le fait que, pour toute suite (x_n) convergeant vers a avec x_n≠a, la suite (f(x_n)) converge vers la même limite.
💡 Astuce mémo
Limite en a : 0<|x−a| ; continuité en a : |x−a| inclut a
📖 10. Propriétés des limites
🔑 Notions clés & Définitions
Limite généralisée : La fonction f tend vers +∞ quand x tend vers a si, pour tout A∈R, il existe η>0 tel que 0<|x−a|<η entraîne f(x)>A.
★ À maîtriser
📌 Si f(x)≤g(x) au voisinage de a et si leurs limites sont α et β, alors α≤β.
📌 Si f_1(x)≤f(x)≤f_2(x) au voisinage de a et si f_1 et f_2 tendent vers l, alors f tend vers l par le théorème des gendarmes.
📐 Formule — Si f tend vers α et g tend vers β en a, alors limx→a(f(x)+g(x))=α+β et limx→a(f(x)g(x))=αβ.
📌 Les formes ∞/∞, 0/0, ∞−∞ et 0·∞ sont indéterminées et ne permettent pas de conclure directement.
Compléments
📌 Si f tend vers y_0 en x_0, si g tend vers z_0 en y_0 et si g(y_0)=z_0, alors g∘f tend vers z_0 en x_0.
📌 Si g tend vers +∞ et f est bornée au voisinage de a, alors f(x)/g(x) tend vers 0.
💡 Astuce mémo
Comparaison des fonctions → comparaison des limites
📖 11. Continuité des fonctions
🔑 Notions clés & Définitions
Continuité uniforme : Une fonction continue f:Ω→R est uniformément continue sur Ω si, pour tout ε>0, il existe η>0 tel que pour tous x,y∈Ω, |x−y|<η entraîne |f(x)−f(y)|<ε.
★ À maîtriser
Une fonction est continue en a si et seulement si sa limite en a existe et vaut f(a).
La somme, le produit et le multiple réel de deux fonctions continues en a sont continus en a, et l’inverse de g est continu en a si g(a)≠0.
Si f est continue sur un intervalle I et si a<b dans I avec f(a)f(b)<0, alors il existe c∈]a,b[ tel que f(c)=0.
Une fonction continue sur un segment [a,b] atteint un minimum et un maximum, et son image est un segment fermé borné.
Compléments
📌 La composée g∘f est continue en a si f est continue en a et g est continue en f(a).
Pour prolonger f par continuité en a, on conserve f(x) pour x≠a et on définit la nouvelle valeur en a par la limite l=lim_{x→a}f(x), lorsque cette limite existe.
Prolongement par continuité : Consiste, lorsque limx→af(x)=l existe, à définir f~(x)=f(x) pour x∈Ω{a} et f~(a)=l.
Continuité uniforme : Si, pour tout ε>0, il existe η>0 indépendant des points x et y tel que, pour tous x,y∈Ω, ∣x−y∣<η⇒∣f(x)−f(y)∣<ε.
★ À maîtriser
📌 Toute fonction uniformément continue est continue, mais la réciproque est fausse en général.
📌 Toute fonction continue sur un intervalle fermé borné [a,b] y est uniformément continue.
Compléments
La fonction f(x)=xsinx se prolonge continûment en 0 en posant f~(0)=1, car limx→0xsinx=1.
💡 Astuce mémo
Prolongement par continuité : remplir un point par une limite ; continuité uniforme : un même η pour tous les points.
📖 13. Monotonie et fonctions réciproques
★ À maîtriser
📌 Une fonction strictement croissante ou strictement décroissante définie sur un intervalle I est bijective de I sur son image J=f(I), et sa fonction réciproque est strictement monotone dans le même sens.
📌 Si f est continue et strictement monotone sur un intervalle ouvert Ω, alors sa réciproque est définie, continue et strictement monotone sur Ω′=f(Ω), dans le même sens que f.
Compléments
📌 L’image par une fonction continue strictement monotone d’un intervalle ouvert Ω de R est un intervalle ouvert.
Suite de fonctions : Une famille d’applications fn:D→R indexées par les entiers n≥n₀.
Série de fonctions : La suite de ses sommes partielles Sn(x)=∑k=0nfk(x).
Convergence simple : Si, pour tout x∈D, la suite numérique (f_n(x)) converge vers f(x)=limn→+∞fn(x).
Convergence uniforme : Si, pour tout ε>0, il existe N indépendant de x tel que, pour tout n>N et tout x∈D, ∣fn(x)−f(x)∣<ε.
Convergence normale : La série numérique ∑n≥n0un converge, où un=supx∈D∣fn(x)∣.
★ À maîtriser
Pour des fonctions bornées, la convergence uniforme équivaut à la convergence vers zéro de la suite un=supx∈D∣fn(x)−f(x)∣, lorsque chaque u_n est bien défini dans R.
La convergence uniforme d’une suite de fonctions continues sur D entraîne la continuité de sa fonction limite sur D.
La convergence normale d’une série de fonctions entraîne sa convergence uniforme, mais la réciproque est fausse.
Compléments
La suite fn(x)=xn converge simplement sur ]−1,1] vers la fonction nulle sur ]−1,1[ et vers 1 en x=1.
💡 Astuce mémo
Convergence simple : le rang dépend de x ; convergence uniforme : un même rang convient à tout x.
📖 15. Définition et règles de dérivation
🔑 Notions clés & Définitions
Dérivée en un point : La fonction f est dérivable au point a si la limite f′(a)=limh→0hf(a+h)−f(a) existe.
★ À maîtriser
📌 Une fonction dérivable en un point est continue en ce point, mais une fonction continue en un point peut ne pas y être dérivable.
📐 Formule — Si f et g sont dérivables au point a, alors (gf)′(a)=g(a)2f′(a)g(a)−f(a)g′(a) sous la condition g(a)=0.
📐 Formule — Si g est dérivable en a et f est dérivable en g(a), alors (f∘g)′(a)=f′(g(a))g′(a).
📌 Si une fonction dérivable possède un extremum local en un point intérieur de son intervalle de définition, alors sa dérivée s'annule en ce point.
Compléments
📐 Formule — La formule de Leibniz donne (fg)(n)=∑k=0n(kn)f(k)g(n−k), avec (f)(0)=f.
💡 Astuce mémo
Définir, additionner, multiplier, composer
📖 16. Accroissements finis et convexité
🔑 Notions clés & Définitions
Fonction convexe : Une fonction f est convexe sur Ω si, pour tous x,y dans Ω et tout θ dans [0,1], f(θx+(1−θ)y)≤θf(x)+(1−θ)f(y).
★ À maîtriser
📐 Formule — Le théorème de Rolle affirme que si f est continue sur [a,b], dérivable sur ]a,b[ et vérifie f(a)=f(b), alors il existe c dans ]a,b[ tel que f′(c)=0.
📐 Formule — Si f est continue sur [a,b] et dérivable sur ]a,b[, il existe c dans ]a,b[ tel que f(b)−f(a)=(b−a)f′(c).
📌 Une fonction dérivable sur un intervalle est croissante si et seulement si sa dérivée y est partout positive ou nulle, décroissante si et seulement si sa dérivée y est partout négative ou nulle, et constante si et seulement si sa dérivée y est partout nulle.
📌 Pour une fonction deux fois continûment dérivable sur un ouvert Ω, la convexité équivaut à f′′(x)≥0 pour tout x dans Ω, et f′′(x)>0 partout suffit pour obtenir la stricte convexité.
Compléments
📌 Si un majorant M de |f'| est connu sur [a−|δ|,a+|δ|], alors l'approximation de f(a+δ) par f(a) vérifie ∣f(a+δ)−f(a)∣≤M∣δ∣.
💡 Astuce mémo
Signe de la dérivée → monotonie ; signe de la dérivée seconde → convexité
📖 17. Fonctions réciproques et dérivées
🔑 Notions clés & Définitions
Arc sinus : La fonction Arc sinus est la réciproque de sin restreinte à [−π/2,π/2], à valeurs dans [−1,1], et elle vérifie dydArcsin(y)=1−y21 pour y dans ]−1,1[.
Racine n-ième : Pour n≥1 et y≥0, la racine n-ième de y est l'unique réel x≥0 tel que xn=y, noté ny=y1/n.
📝 Points essentiels
📐 Formule — Si f est continue, dérivable et strictement monotone sur Ω, avec f'(x)≠0 pour tout x, alors sa réciproque est dérivable et vérifie (f−1)′(y)=f′(f−1(y))1.
📐 Formule — La fonction Arc cosinus est définie par des valeurs dans [0,π] et vérifie dydArccos(y)=−1−y21 pour y dans ]−1,1[.
📐 Formule — La fonction Arc tangente prend ses valeurs dans ]−π/2,π/2[ et vérifie dydArctan(y)=1+y21 pour tout réel y.
💡 Astuce mémo
Fonction directe : pente f′ ; fonction réciproque : pente 1/f′
📖 18. Formules de Taylor
🔑 Notions clés & Définitions
Infiniment petit : Un infiniment petit au voisinage de a est une fonction f telle que limx→af(x)=0.
Fonctions équivalentes : Deux fonctions f et g sont équivalentes au voisinage de a, noté f∼g, si g est non nulle au voisinage de a et si limx→ag(x)f(x)=1.
Ordre d’un infiniment petit : Un infiniment petit f est d’ordre p au voisinage de a si f et (x−a)^p sont du même ordre, c’est-à-dire si leur quotient tend vers une limite non nulle.
Développement limité : Une fonction f admet un développement limité à l’ordre n au voisinage de a si f(a+h)=α0+α1h+⋯+αnhn+hnε(h) avec ε(h)→0 quand h→0.
📝 Points essentiels
📐 Formule — Pour un polynôme P de degré n, on a P(x)=∑k=0nk!P(k)(0)xk.
📐 Formule — Si f est n+1 fois dérivable sur un intervalle ouvert I, alors, pour a et a+h dans I, il existe θ∈]0,1[ tel que f(a+h)=∑k=0nk!hkf(k)(a)+(n+1)!hn+1f(n+1)(a+θh).
📐 Formule — Les développements de Mac-Laurin de cos x et sin x comportent respectivement les puissances paires cosx=1−2!x2+4!x4−⋯ et les puissances impaires sinx=x−3!x3+5!x5−⋯.
📐 Formule — Si f est n fois continûment dérivable au voisinage de a, alors il existe ε tel que ε(h)→0 quand h→0 et f(a+h)=∑k=0nk!hkf(k)(a)+hnε(h).
Le développement limité à un ordre donné est unique lorsqu’il existe.
La somme et le produit par un réel de deux développements limités à l’ordre n s’obtiennent en additionnant ou en multipliant leurs parties régulières, tandis que le produit de fonctions se tronque à l’ordre n.
Si une fonction continue au voisinage de a admet un développement limité à l’ordre n, alors toute primitive admet un développement limité à l’ordre n+1 obtenu en intégrant terme à terme et en ajoutant la constante F(a).
📐 Formule — Si f(a+h)=α0+α1h+⋯+αnhn+hnε(h), alors F(a+h)=F(a)+α0h+α12h2+⋯+αnn+1hn+1+hn+1ε(h).
Pour calculer une limite indéterminée par développement limité, on développe le numérateur et le dénominateur jusqu’à faire apparaître leurs premiers termes non nuls, puis on simplifie par la puissance commune dominante.
Le développement limité à l’ordre 3 donne x−arctanx=3x3(1+ε1(x)) et x2sinx=x3(1+ε2(x)), donc limx→0x2sinxx−arctanx=31.
📌 Pour une courbe y=f(x), si f''(x_0)>0, la courbe est au-dessus de sa tangente et x_0 est un minimum local lorsque f'(x_0)=0; si f''(x_0)<0, elle est au-dessous de sa tangente et x_0 est un maximum local.
📌 Si f'(x_0)=0, f''(x_0)=0 et f'''(x_0)≠0, alors la courbe traverse sa tangente en x_0 et x_0 est un point d’inflexion, sans extremum.
💡 Astuce mémo
Polynôme → Lagrange → Mac-Laurin → Young
📊 Tableaux de synthèse
Types d’applications
Type
Condition sur les images
Condition sur les antécédents
Injective
Deux éléments distincts ont des images distinctes
Chaque image possède au plus un antécédent
Surjective
L’image est l’ensemble d’arrivée
Chaque élément d’arrivée possède au moins un antécédent
Bijective
L’application est injective et surjective
Chaque élément d’arrivée possède exactement un antécédent
Types de convergence
Notion
Condition
Conséquence notable
Simple
Pour chaque x, f_n(x) converge
La limite peut être discontinue
Uniforme
Un même N convient à tout x
La continuité est conservée
Normale
La série des bornes supérieures converge
Elle entraîne la convergence uniforme
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1. Quelle propriété caractérise une application de E vers F ?
2. Que représente l’ensemble Imf d’une application f:E→F ?