Limites et continuité : exercices corrigés en Maths Sup

Cet article regroupe une série d’exercices corrigés portant sur le chapitre des limites et continuité. Il aborde l’utilisation des quantificateurs pour exprimer les limites de fonctions, les opérations sur les limites, les liens entre limites et inégalités, les caractérisations séquentielles de la limite et de la continuité, le théorème de la limite monotone, le théorème des valeurs intermédiaires, le théorème des bornes atteintes, le théorème de la bijection, ainsi que l’étude des limites et de la continuité des fonctions à valeurs dans \( \mathbb{C} \).

\mathbb{C}Il s’adresse principalement aux étudiants des classes préparatoires scientifiques (MPSI, MP2I, PCSI, PTSI, TSI), mais reste parfaitement adapté aux élèves de prépa intégrée ou aux étudiants de première année universitaire (L1, bac+1).

L’objectif est de consolider la compréhension des notions fondamentales tout en offrant une préparation rigoureuse aux devoirs surveillés, examens et concou

Exercice 1 ⭐️    

Étudier la continuité des fonctions définies sur \(\mathbb{R}\) suivantes : \(f(x) = \lfloor x \rfloor + \sqrt{x – \lfloor x \rfloor}\) et \(g(x) = \lfloor x \rfloor – (x – \lfloor x \rfloor)^2\)

Exercice 2 ⭐️    

Soit \(f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) une fonction croissante.

On suppose qu’il existe une suite réelle \((u_n)_{n \in \mathbb{N}}\) telle que \( \displaystyle \lim_{n \rightarrow +\infty} u_n = +\infty\) et \( \displaystyle \lim_{n \rightarrow +\infty} f(u_n) = +\infty\).

Étudier la limite de \(f\) en \(+\infty\).

Exercice 3 ⭐️    

Montrer qu’une fonction périodique non constante n’admet pas de limite en \(+\infty\).

Exercice 4 ⭐️    

Soient \(f\) et \(g\) deux fonctions continues sur \(\mathbb{R}\).

Pour tout \(x \in \mathbb{R}\), on pose \(h(x) = \max(f(x), g(x))\) et \(k(x) = \min(f(x), g(x))\).

Montrer que \(h\) et \(k\) sont continues sur \(\mathbb{R}\).

Exercice 5 ⭐️    

Soient \(f, g : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) deux fonctions continues avec \(f_{\mid \mathbb{Q}} = g_{\mid \mathbb{Q}}\).

Montrer que \(f = g\).

Exercice 6 ⭐️    

Soient \(f, g : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) deux fonctions continues telles que \(\forall x \in \mathbb{Q}, f(x) < g(x)\).

Montrer que \(\forall x \in \mathbb{R}, f(x) \leq g(x)\).

Exercice 7 ⭐️    

Soit \(f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) une fonction continue telle que \(f_{\mid \mathbb{Q}}\) est strictement croissante.

Montrer que \(f\) est strictement croissante.

Exercice 8 ⭐️    
  1. Existe-t-il une fonction \(f : [0,1] \rightarrow\ ]0,1[\) continue et surjective ?
  2. Existe-t-il une fonction \(f : ]0,1[ \rightarrow [0,1]\) continue et surjective ?
Exercice 9 ⭐️    

Soit \( P \) une fonction polynomiale de degré impair.

Montrer que \( P \) admet au moins une racine dans \( \mathbb{R} \).

Exercice 10 ⭐️    

Soient \( f, g : [a, b] \rightarrow \mathbb{R} \) deux fonctions continues telles que \( f(a) \leq g(a) \) et \( f(b) \geq g(b) \).

Montrer qu’il existe \( c \in [a, b] \) tel que \( f(c) = g(c) \).

Exercice 11 ⭐️    

Soit \( f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \) une fonction continue et périodique.

Montrer que \( f \) est bornée.

Exercice 12 ⭐️    

Soit \( f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \) une fonction continue telle que \( \displaystyle \lim_{x \rightarrow \pm \infty} f(x) = +\infty \).

Montrer qu’il existe \( a \in \mathbb{R} \) tel que \( \forall x \in \mathbb{R}, f(x) \geq f(a) \).

Exercice 13 ⭐️    

Soit \( f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \) une fonction continue telle que \( \forall x, y \in \mathbb{R}, f(x + y) = f(x) + f(y) \).

  1. Calculer \( f(0) \) et montrer que \( \forall x \in \mathbb{R}, f(-x) = -f(x) \).
  2. Justifier que \( \forall n \in \mathbb{Z}, \forall x \in \mathbb{R}, f(nx) = n f(x) \).
  3. Établir que \( \forall r \in \mathbb{Q}, f(r) = ar \) avec \( a = f(1) \).
  4. Conclure que \( \forall x \in \mathbb{R}, f(x) = a x \).
  5. En déduire l’ensemble des fonctions \( f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \) continues vérifiant \( \forall x, y \in \mathbb{R}, f(x + y) = f(x) f(y) \).
Exercice 14 ⭐️    

Soit \( f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \) une fonction continue admettant des limites finies en \( +\infty \) et en \( -\infty \).

Montrer que \( f \) est bornée sur \( \mathbb{R} \).

Exercice 15 ⭐️    

Soit \( f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \) continue telle que \( \displaystyle  \lim_{x \rightarrow -\infty} f(x) = -1 \) et \( \displaystyle  \lim_{x \rightarrow +\infty} f(x) = 1 \).

Prouver que \( f \) s’annule.

Exercice 16 ⭐️    

Soit \( f \) une application continue et décroissante sur \( \mathbb{R} \).

Montrer que \( f \) possède un unique point fixe.

Exercice 17 ⭐️    

Soit \( f : \mathbb{R}_{+}^{*} \rightarrow \mathbb{R} \) une fonction croissante telle que \( x \mapsto \frac{f(x)}{x} \) soit décroissante.

Montrer que \( f \) est continue.

Exercice 18 ⭐️    

Soient \( f \) et \( g \) deux fonctions continues sur \([0, 1]\) telles que \( \displaystyle  \sup_{x \in [0, 1]} f(x) = \sup_{x \in [0, 1]} g(x) \).

Montrer que les graphes de \( f \) et \( g \) se coupent.

Exercice 19 ⭐️    

Soit \( f : [0,1] \rightarrow \mathbb{R} \) une fonction continue sur le segment \( [0,1] \).

Montrer que \( \displaystyle  \sup_{x \in [0,1]} f(x) = \sup_{x \in\,]0,1[} f(x) \).

Exercice 20 ⭐️    

On pose \( \displaystyle \forall x \in \mathbb{R}^{+}, f(x) = \sup_{n \in \mathbb{N}} \frac{x^n}{n!} \).

Montrer que la fonction \( f \) est continue.

Exercice 21 ⭐️    

Soient \( a \) et \( b \) deux réels tels que \( a < b \), et \( f : [a,b] \rightarrow [a,b] \) une fonction continue sur \( [a,b] \) telle que \( f \circ f = f \).

On note \( A = \{ x \in [a,b] \mid f(x) = x \} \).

Montrer que \( A \) est un intervalle non vide de \( \mathbb{R} \).

Exercice 22 ⭐️    

Soient \( a \) et \( b \) deux réels tels que \( a < b \).

Trouver une bijection de \( [a,b] \) sur lui-même qui soit discontinue en chacun de ses points.

Exercice 23 ⭐️ (Une autre démonstration du théorème des valeurs intermédiaires)

Soit \( f : [a,b] \rightarrow [a,b] \) une fonction continue sur \( [a,b] \) telle que \( f(a) f(b) < 0 \). (Pour se fixer les idées, on suppose que \( f(a) < 0 < f(b) \)).

On pose \( A = \{ x \in [a,b] \mid f(x) \geq 0 \} \).

  1. Justifier que \( A \) admet une borne inférieure.
    On note \( c = \inf A \).
  2. a) Montrer que \( f(c) \geq 0 \).
    b) Montrer que \( f(c) \leq 0 \).
  3. Conclure.
Exercice 24 ⭐️    

On considère une fonction \( f \) définie sur \( \mathbb{R} \) et vérifiant :  \( \forall x, y \in \mathbb{R},\ |f(x) – f(y)| \leq k |x – y| \) avec \( k \in [0,1[ \) (on dit que \( f \) est \( k \)-contractante).

  1. Montrer que \( f \) est continue sur \( \mathbb{R} \).
  2. Montrer que \( \forall x \in \mathbb{R},\ |f(x)| \leq |f(0)| + k|x| \).
  3. On considère la fonction \( g \) définie par \( \forall x \in \mathbb{R},\ g(x) = f(x) – x \).
    Déterminer les limites de \( g \) en \( +\infty \) et en \( -\infty \).
  4. Montrer que \( f \) admet un unique point fixe.
Exercice 25 ⭐️    

Soit \( f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \) une fonction continue et 1-périodique.

Montrer qu’il existe \( c \in \mathbb{R} \) tel que \( f(\mathbb{R}) = f\left( \left[ c,\ c + \frac{1}{2} \right] \right) \).

Exercice 26 ⭐️    

Soit \( f : \mathbb{R}^{+} \rightarrow \mathbb{R} \) une fonction continue.

On pose \( \displaystyle \forall x \in \mathbb{R}^{+},\ g(x) = \sup_{t \in [0,x]} f(t) \).

Montrer que la fonction \( g \) est continue.

Exercice 27 ⭐️    

Soient \( f, g : [-1,1] \rightarrow \mathbb{R} \) deux fonctions continues.

On pose \( \displaystyle \forall x \in \mathbb{R},\ h(x) = \sup_{t \in [-1,1]} (f(t) + x g(t)) \).

  1. Justifier que \( h \) est bien définie.
  2. Montrer que \( h \) est continue sur \( \mathbb{R} \).
Exercice 28 ⭐️    

Soit \( f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \) une fonction continue sur \( \mathbb{R} \) et telle que \( f_{| \mathbb{Q}} \) soit croissante.

Montrer que \( f \) est croissante.

Exercice 29 ⭐️    

Soit \( f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \) une fonction continue en 0.
Montrer que : \( f \) est constante \( \Leftrightarrow \forall x \in \mathbb{R},\ f(2x) = f(x) \).

Exercice 30 ⭐️    
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