1Relations de comparaison : le cadre
Notation. Dans tout ce bloc, , et , sont définies au voisinage de , sauf peut-être en , avec qui ne s’annule pas sur un voisinage de privé de : c’est cette hypothèse qui donne un sens au quotient , sur lequel portent toutes les définitions qui suivent.
Définition. Soient et comme ci-dessus. On dit que est dominée par en , noté , lorsque est bornée au voisinage de ; négligeable devant en , noté , lorsque ; équivalente à en , noté , lorsque .
Propriété — liens entre les trois relations. ; et ; et surtout . C’est cette deuxième forme qui sert dans les calculs : « vaut , à un terme négligeable devant près ».
Propriété — propriétés conservées par équivalence. Si , alors et ont la même limite dans , et le même signe strict au voisinage de (car près de ). En revanche n’entraîne pas : alors que la différence tend vers .
Propriété — règles de manipulation. Soient et en , et .
- est réflexive, symétrique, transitive ; produit, quotient : et ; puissance : si et près de , ;
- calcul sur les : , pour , , , ; et si , alors et : on peut remplacer une fonction par un équivalent à l’intérieur d’un ;
- équivalent par encadrement : si au voisinage de , avec et , alors (car ).
Seuls les produits, quotients et puissances se comportent bien.
- On n’additionne pas des équivalents : et , mais n’est pas équivalent à (qui n’a d’ailleurs pas d’équivalent).
- On ne compose pas un équivalent : mais ; mais .
- On ne remplace pas un terme par un équivalent dans une somme : de on ne tire rien sur (qui vaut ). Dès qu’il y a compensation, il faut un DL.
Théorème — croissances comparées. Soient , : le logarithme perd contre toute puissance, toute puissance perd contre l’exponentielle. En : et . En : . En : . Pour les suites, avec : , et .
2Relations de comparaison : le cas des suites
Définition. Soient et deux suites, ne s’annulant pas à partir d’un certain rang. On reprend mot pour mot les définitions précédentes avec : si est bornée, si , si . Toutes les propriétés du bloc précédent — liens, conservation de la limite et du signe, règles de manipulation, interdits — restent valables telles quelles.
Méthode — équivalent d’une suite. factoriser par le terme dominant, puis se ramener à une variable qui tend vers pour appliquer un équivalent usuel : , et (avec et ).
Propriété — équivalents usuels en . Pour (donc aussi pour , ou ) :
Chacun se lit sur le développement limité correspondant : le premier terme non nul d’un DL est un équivalent.
3Développements limités
Définition. Soient un intervalle, , définie sur et . On dit que admet un développement limité à l’ordre en (un ) s’il existe tel que, pour voisin de avec ,
Le polynôme est la partie régulière du développement.
Théorème — unicité des coefficients. Si admet un , les coefficients sont uniques.
Idée de preuve (exigible). Par différence, il suffit de montrer que si quand , alors tous les sont nuls. Sinon, soit le plus petit indice tel que : en divisant par , on obtient d’une part, et d’autre part, donc : contradiction.
Propriété — conséquences immédiates. Troncature : si admet un , elle admet un pour tout , obtenu en tronquant la partie régulière. Parité : si est paire (resp. impaire) au voisinage de , son ne contient que des puissances paires (resp. impaires). Ordres et : admet un si et seulement si est continue en (et alors ), un si et seulement si est dérivable en , et alors .
L’existence d’un avec n’entraîne pas que soit fois dérivable : pour (prolongée par ), donne un nul alors que n’existe pas. L’implication n’est vraie que pour .
Théorème — formule de Taylor-Young. Soient , un intervalle, de classe sur et . Alors admet un , donné par
Si est de classe , l’unicité donne : on lit les dérivées successives sur un DL obtenu autrement.
Idée de preuve de l’ordre (exigible). Soit deux fois dérivable en et : alors et avec , par dérivabilité de en . L’égalité des accroissements finis donne avec , d’où . Le cas général s’obtient par récurrence sur , à partir du théorème de primitivation ci-dessous appliqué à .
Propriété — développements limités usuels en , à tout ordre.
- ;
- et ;
- et ;
- ;
- et ;
- () ;
- et (seul l’ordre de est à connaître ; l’ordre , , se retrouve par quotient) ;
- deux cas particuliers de à écrire de tête : et .
4Opérations sur les développements limités
Théorème — combinaison linéaire, produit, quotient. Si et admettent des de parties régulières et , alors admet un de partie régulière , et un de partie régulière tronquée à l’ordre . Si de plus , admet un ; en pratique on écrit avec , puis
Théorème — primitivation. Soit dérivable sur , . Si admet un de partie régulière , alors admet un :
On gagne un ordre, et la constante est . Idée de preuve. Poser : et , donc pour il existe tel que sur ; l’IAF donne , soit .
Il n’y a pas de théorème de dérivation d’un DL : peut admettre un sans que admette un . Pour dériver, il faut invoquer Taylor-Young sur .
Méthode — composition, sur des exemples simples. Aucun résultat général de composition n’est exigible : on procède par substitution, après avoir vérifié que la quantité substituée tend vers . Pour le de : on pose , puis ; comme , , et on développe chaque puissance en ne gardant que les termes de degré : .
Méthode — DL en un point . poser et développer en : en , avec .
5Applications à l’étude locale
Méthode — limites et équivalents. si le de a pour premier coefficient non nul (avec ), alors : on obtient limites et équivalents sans forme indéterminée, là où le chapitre 9 demandait une quantité conjuguée. Gare à la perte d’ordre : dans un quotient ou une différence les premiers termes se compensent, et il faut partir plus haut que l’ordre voulu. Règle pratique : pour un résultat à l’ordre après division par , développer le numérateur à l’ordre (ainsi réclame à l’ordre au moins).
Théorème — position par rapport à la tangente. Soit la tangente à en . Si avec et , la différence a le signe de : si est pair, la courbe reste du même côté de (au-dessus si ) ; si est impair, elle traverse (point d’inflexion).
Théorème — extremum, condition d’ordre . Soient deux fois dérivable en et intérieur à l’intervalle . Condition nécessaire : si a un minimum (resp. maximum) local en , alors et (resp. ). Condition suffisante : si et (resp. ), alors a en un minimum (resp. maximum) local strict. Idée de preuve. Taylor-Young à l’ordre : , du signe de près de .
Si , on ne peut rien conclure ( : minimum ; : maximum ; : ni l’un ni l’autre) : il faut pousser le DL jusqu’au premier terme non nul. Et doit être intérieur : sur , atteint son minimum en sans que la dérivée s’y annule.
Méthode — asymptote oblique en . poser (donc ) et chercher un développement . La droite est alors asymptote à en , et donne la position de la courbe (au-dessus si , en dessous si ).
6Développements asymptotiques
Définition. Obtenir un développement asymptotique, c’est écrire une quantité comme une somme finie de termes explicites de plus en plus petits, suivie d’un reste négligeable devant le dernier terme conservé : ainsi . Un DL en est le cas particulier où les termes sont les puissances de . La notion générale d’échelle de comparaison est hors programme : on travaille sur des exemples, en précisant chaque fois devant quoi le reste est négligeable.
Théorème — formule de Stirling. . La démonstration n’est pas exigible.
Méthode — les quatre situations du programme. le ressort commun est la réinjection : on obtient un premier terme, on le reporte dans la relation de départ, ce qui donne le suivant, et ainsi de suite.
- fonction réciproque : écrire sous forme de DL, puis inverser terme à terme en identifiant les coefficients de ;
- équation à paramètre : existence et unicité de la racine (théorème de la bijection), encadrement, , puis réinjection dans l’équation ;
- suite récurrente : chercher tel que ; le théorème de Cesàro donne , d’où un équivalent de ;
- suite d’intégrales : encadrer l’intégrande, ou intégrer par parties pour obtenir une relation de récurrence.
- Justifier , , ; trouver un équivalent par factorisation du terme dominant ou par un équivalent usuel.
- Lever une forme indéterminée par un DL, à l’ordre juste ; calculer un DL par somme, produit, quotient, substitution, primitivation ; passer d’un DL en à un DL en .
- Tangente et position de la courbe ; extremum par la condition d’ordre ; asymptote oblique et position ; développement asymptotique par réinjection (équation à paramètre, suite récurrente, suite d’intégrales) ; Stirling.
- Limite et position. : numérateur et dénominateur , donc le quotient tend vers . Pour en , : la tangente est et , la courbe est en dessous de sa tangente (concavité du logarithme).
- Développement asymptotique. , donc .
- Additionner des équivalents, composer un équivalent par ou , remplacer un terme par un équivalent dans une somme où il y a compensation ; écrire « » ; oublier de préciser le point.
- Écrire un DL sans son reste ou avec un reste de mauvais ordre ; oublier la constante en primitivant ; dériver un DL ; travailler à un ordre insuffisant et obtenir , qui n’apprend rien.
- Conclure à un extremum à partir de ; invoquer un « théorème de composition des DL » (il n’y en a aucun au programme : on substitue).