Continuité et théorème des valeurs intermédiaires
Utiliser le théorème des valeurs intermédiaires et son corollaire pour prouver qu’une équation f(x) = k a une unique solution, puis l’encadrer.
L’essentiel
Une fonction est continue sur un intervalle quand sa courbe se trace « sans lever le crayon ». Les fonctions usuelles (polynômes, exponentielle, logarithme, racine, fonctions trigonométriques) et leurs combinaisons sont continues là où elles sont définies. Toute fonction dérivable est continue.
Théorème des valeurs intermédiaires : si est continue sur , alors pour tout compris entre et , l’équation a au moins une solution dans .
Corollaire (« théorème de la bijection ») : si de plus est strictement monotone sur , cette solution est unique.
Le théorème s’étend aux intervalles ouverts ou infinis, en remplaçant et par des limites.
La méthode
Pour montrer que a une unique solution sur un intervalle :
- est continue sur (justifie-le) ;
- est strictement monotone sur (tableau de variations) ;
- est compris entre les valeurs (ou limites) de aux bornes de .
Pour encadrer , cherche deux valeurs et avec : alors . On affine au dixième, au centième (balayage à la calculatrice ou dichotomie).
Avec un tableau de variations, applique le corollaire sur chaque intervalle où est strictement monotone, puis additionne les solutions.
Exemple corrigé
au cube sur réels. dérivée au carré : est continue et strictement croissante. Ses limites sont infini et infini, donc a une unique solution .
doncAu dixième : environ et environ, donc .
Les pièges
- Sans continuité, le théorème ne s’applique pas : une fonction peut « sauter » par-dessus .
- Sans stricte monotonie, on ne sait pas que la solution est unique.
- Le théorème prouve l’existence, il ne donne pas la valeur exacte de la solution.