Formes indéterminées de limites

Exemples, solutions détaillées et exercices pratiques utilisant la règle de L'Hôpital

Exemples avec des solutions détaillées et des exercices permettant de résoudre des questions de limites liées à des formes indéterminées telles que :

\[ \dfrac{\infty}{\infty}, \quad 0^0, \quad \infty^0, \quad 1^\infty, \quad \infty \cdot 0, \quad \infty - \infty \]

Dans ce qui suit, \( C \) représente la constante d'intégration le cas échéant.

Théorème

Une seconde version de la règle de L'Hôpital nous permet de remplacer le problème de limite :

\[ \dfrac{\infty}{\infty} \]

par un autre problème plus simple à résoudre.

Si \( \lim f(x) = \infty \) et \( \lim g(x) = \infty \) et si \( \lim \dfrac{f'(x)}{g'(x)} \) a une valeur finie \( L \), ou est de la forme \( \infty \) ou \( -\infty \), alors :

\[ \lim \dfrac{f(x)}{g(x)} = \lim \dfrac{f'(x)}{g'(x)} \]

Dans ce qui précède, \( \lim \) désigne \( \lim_{x \to a} f(x) \), \( \lim_{x \to a^+} f(x) \), \( \lim_{x \to a^-} f(x) \), \( \lim_{x \to \infty} f(x) \), ou \( \lim_{x \to -\infty} f(x) \).

Exemples avec solutions détaillées

Cliquez sur chaque exemple pour afficher sa solution détaillée étape par étape.

Exemple 1

Trouvez la limite :

\[ \lim_{x \to \infty} \dfrac{\ln x}{x} \]
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Puisque :

\[ \lim_{x \to \infty} \ln x = \infty \]

et

\[ \lim_{x \to \infty} x = \infty \]

nous obtenons la forme indéterminée :

\[ \lim_{x \to \infty} \dfrac{\ln x}{x} = \dfrac{\infty}{\infty} \]

La règle de L'Hôpital peut être utilisée pour évaluer le problème de limite donné comme suit :

\[ \lim_{x \to \infty} \dfrac{\ln x}{x} = \lim_{x \to \infty} \dfrac{(\ln x)'}{(x)'} \]

Évaluez les dérivées au numérateur et au dénominateur :

\[ = \lim_{x \to \infty} \dfrac{1/x}{1} \]

Évaluez les limites au numérateur et au dénominateur :

\[ \lim_{x \to \infty} (1/x) = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to \infty} 1 = 1 \]

Nous évaluons maintenant la limite donnée :

\[ \lim_{x \to \infty} \dfrac{\ln x}{x} = \lim_{x \to \infty} \dfrac{0}{1} = 0 \]

Exemple 2

Trouvez la limite :

\[ \lim_{x \to \infty} x e^{-x} \]
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Notez que :

\[ \lim_{x \to \infty} x = \infty \]

et

\[ \lim_{x \to \infty} e^{-x} = 0 \]

C'est la forme indéterminée \( \infty \cdot 0 \). L'idée est de la convertir en la forme indéterminée \( \dfrac{\infty}{\infty} \) et d'utiliser le théorème de L'Hôpital. Notez que :

\[ \lim_{x \to \infty} x e^{-x} = \lim_{x \to \infty} \dfrac{x}{e^x} = \dfrac{\infty}{\infty} \]

Nous appliquons la règle de L'Hôpital :

\[ = \lim_{x \to \infty} \dfrac{(x)'}{(e^x)'} = \lim_{x \to \infty} \dfrac{1}{e^x} = 0 \]

Exemple 3

Trouvez la limite :

\[ \lim_{x \to \infty} \left(1 + \dfrac{1}{x}\right)^x \]
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Notez que \( \lim_{x \to \infty} \left(1 + \dfrac{1}{x}\right) = 1 \) et la limite ci-dessus est donnée par :

\[ \lim_{x \to \infty} \left(1 + \dfrac{1}{x}\right)^x = 1^\infty \]

ce qui est de la forme indéterminée \( 1^\infty \). Si nous posons \( t = 1 / x \), la limite ci-dessus peut s'écrire :

\[ \lim_{x \to \infty} \left(1 + \dfrac{1}{x}\right)^x = \lim_{t \to 0^+} (1 + t)^{1/t} \]

Notez que lorsque \( x \to \infty \), \( t \to 0^+ \).

Soit \( y = (1 + t)^{1/t} \) et trouvons la limite de \( \ln y \) lorsque \( t \) tend vers 0 :

\[ \ln y = \ln (1 + t)^{1/t} = \dfrac{1}{t} \ln (1 + t) \]

L'avantage d'utiliser \( \ln y \) est que :

\[ \lim_{t \to 0} \ln y = \lim_{t \to 0} \dfrac{\ln (1 + t)}{t} = \dfrac{0}{0} \]

La limite a la forme indéterminée \( 0 / 0 \), et la première règle de L'Hôpital peut être appliquée :

\[ \lim_{t \to 0} \ln y = \lim_{t \to 0} \dfrac{(\ln (1 + t))'}{(t)'} = \lim_{t \to 0} \dfrac{1/(1+t)}{1} = 1 \]

Puisque la limite de \( \ln y = 1 \), la limite de \( y \) est \( e^1 = e \). Par conséquent :

\[ \lim_{x \to \infty} \left(1 + \dfrac{1}{x}\right)^x = e \]

Exemple 4

Trouvez la limite :

\[ \lim_{x \to 0^+} \left(\dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{\sin x}\right) \]
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Notez que :

\[ \lim_{x \to 0^+} \left(\dfrac{1}{x}\right) = +\infty \]

et

\[ \lim_{x \to 0^+} \left(\dfrac{1}{\sin x}\right) = +\infty \]

Cette limite a la forme indéterminée \( \infty - \infty \) et doit être convertie sous une autre forme en regroupant les termes :

\[ \lim_{x \to 0^+} \left(\dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{\sin x}\right) = \lim_{x \to 0^+} \dfrac{\sin x - x}{x \sin x} = \dfrac{0}{0} \]

Nous avons maintenant la forme indéterminée \( 0 / 0 \) et pouvons utiliser le théorème de L'Hôpital :

\[ \lim_{x \to 0^+} \dfrac{\sin x - x}{x \sin x} = \lim_{x \to 0^+} \dfrac{(\sin x - x)'}{(x \sin x)'} = \lim_{x \to 0^+} \dfrac{\cos x - 1}{\sin x + x \cos x} = \dfrac{0}{0} \]

Nous obtenons à nouveau la forme indéterminée \( 0 / 0 \) et appliquons le théorème de L'Hôpital une nouvelle fois :

\[ = \lim_{x \to 0^+} \dfrac{(\cos x - 1)'}{(\sin x + x \cos x)'} \] \[ = \lim_{x \to 0^+} \dfrac{-\sin x}{\cos x + \cos x - x \sin x} = \dfrac{0}{2} = 0 \]

Exemple 5

Trouvez la limite :

\[ \lim_{x \to 0^+} x^x \]
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Nous avons la forme indéterminée \( 0^0 \). Soit \( y = x^x \) et \( \ln y = \ln (x^x) = x \ln x \). Trouvons maintenant la limite de \( \ln y \) :

\[ \lim_{x \to 0^+} \ln y = \lim_{x \to 0^+} x \ln x = 0 \cdot \infty \]

La limite ci-dessus a la forme indéterminée \( 0 \cdot \infty \). Nous la convertissons comme suit :

\[ \lim_{x \to 0^+} x \ln x = \lim_{x \to 0^+} \dfrac{\ln x}{1/x} = \dfrac{-\infty}{\infty} \]

Elle se présente maintenant sous la forme indéterminée \( \dfrac{\infty}{\infty} \) et nous pouvons utiliser le théorème de L'Hôpital :

\[ \lim_{x \to 0^+} \dfrac{\ln x}{1/x} = \lim_{x \to 0^+} \dfrac{(\ln x)'}{(1/x)'} \] \[ = \lim_{x \to 0^+} \dfrac{1/x}{-1/x^2} \] \[ = \lim_{x \to 0^+} (-x) = 0 \]

La limite de \( \ln y = 0 \), donc la limite de \( y = x^x \) est égale à :

\[ \lim_{x \to 0^+} x^x = e^0 = 1 \]

Exercices

Calculez les limites suivantes. Cliquez sur chaque exercice pour vérifier vos réponses.

Exercice 1

\( \displaystyle \lim_{x \to \infty} (\ln x)^{1/x} \)

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\[ 1 \]

Exercice 2

\( \displaystyle \lim_{x \to \infty} (\ln x - \ln (1 + x)) \)

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\[ 0 \]

Exercice 3

\( \displaystyle \lim_{x \to \infty} \dfrac{x}{e^x} \)

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\[ 0 \]

Exercice 4

\( \displaystyle \lim_{x \to 0^+} x^{\sin x} \)

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\[ 1 \]

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