La limite : voici un terme mathématique bien connu (et pas toujours favorablement de la part des lycéens...). Trouver une limite, c’est déterminer le comportement d'une fonction à l'une des bornes de son domaine de définition, infini compris. L’infini est une notion quasi absente en statistiques mais très présente en mathématiques. Par ailleurs, une limite peut être calculée au voisinage d'un point (à droite et / ou à gauche), même si la fonction n'est pas définie en ce point.

Ne pas confondre l’absence de limite et la limite infinie. Lorsque x tend vers  l’infini, la limite de exp (x) tend aussi vers l’infini tandis que la limite de sin (x) n’existe pas.

Le rappel qui suit se situe dans le cadre des études de fonctions. La plupart des limites usuelles se trouvent intuitivement dès lors qu’on possède quelques notions de mathématiques, voire un peu de bon sens (l'inverse d'un nombre minuscule est très grand et réciproquement). Ainsi, pour n étant un entier naturel :

Limites sur les logarithmes et sur la fonction exponentielle :

Opérations sur les limites

Dans le cas de fonctions non trigonométriques, on devine souvent quelles sont les limites, sauf dans quatre cas où la forme est indéterminée et où l’on doit pousser l’analyse à l’aide des croissances comparées, des fonctions équivalentes ou autres triturations algébriques telles que changements de variables. Il s’agit de la somme entre deux limites infinies, du produit entre 0 et l'infini, du quotient de deux limites qui tendent vers 0 et enfin du quotient de deux limites infinies.

À titre d'exemple, les opérations sur logarithmes admettent les limites suivantes :

Quant aux opérations sur fonction exponentielle (exemple en page tableau de variations)…

À l’infini, une fonction polynôme se comporte comme son terme de plus haut degré et une fonction rationnelle se comporte comme le quotient des termes de plus haut degré.

Autre limite utile :

Lorsqu’une limite d’une fonction en a n’est pas immédiatement déterminée, on peut ruser en calculant une limite en (a + h) lorsque h tend vers zéro. Par exemple, on cherche la limite au voisinage de a = 2 de la fonction suivante :

Posons x = 2 + h.

Notez qu’on serait arrivé au même résultat en mettant (x – 2) en facteur au numérateur et au dénominateur (c’est d’ailleurs plus simple. Voir la levée d'indétermination de la page division de polynômes).

La courbe représentative de cette fonction admet une asymptote horizontale d'équation y = 2 / 3. En effet, nous avons vu qu'à l'infini la limite d'un quotient est égale au rapport des termes du plus haut degré (soit 2x² / 3x²).

Le théorème des gendarmes (limite par encadrement). Si, au voisinage de a :

Ce théorème est particulièrement utile pour déterminer la limite d'une fonction dont l'expression inclut une forme trigonométrique.

Le théorème de composition :

La règle de L’Hôpital : on quitte les formules « évidentes » pour une technique efficace servant à lever les indéterminations. Si la limite de f(x) / g(x) est indéterminée, on la trouve par le quotient des dérivées  f’(x) / g’(x). Si ça ne suffit pas, on dérive encore. Dans l’exemple de f(x) indiqué ci-dessus, cela revient à chercher la limite en a = 2 de (4x + 4) / (6x + 1), soit 12 / 13. Le résultat est immédiat.

Limites et continuité : l'étude des limites autour d'un point non défini d'une fonction peut parfois permettre un prolongement par continuité. Il faut pour celà qu'elles soient finies et qu'elles tendent vers la même valeur.

Entraînement :

Soit la fonction g définie sur R* :

On cherche la limite à droite de zéro (soit 0+).

Solution: on sait qu'un cosinus se situe entre -1 et 1. Donc le numérateur est compris entre -x et x, qui tendent tous deux vers 0. On déduit grâce au théorème de limite par encadrement que le numérateur tend vers zéro tandis que le dénominateur tend vers racine de 2. Donc, la limite de g(x) quand x tend vers 0+ est égale à 0.

Suites :

Si une suite est présentée sous forme de fonction, on trouve sa limite avec les mêmes théorèmes. Tous les détails en page limites de suites !