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I Analyse · Chapitre 03 / 17

Limites de fonctions

Limites, asymptotes, croissances comparées.

16 min de lecture
7 sections, 14 exemples
40 exercices · 4 problèmes

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L'essentiel en 30 secondes

La limite décrit le comportement de f(x) quand x tend vers un réel ou vers l'infini. Une limite finie en l'infini se traduit par une asymptote horizontale, une limite infinie en un réel par une asymptote verticale. Les croissances comparées tranchent les formes indéterminées : eˣ l'emporte sur toute puissance de x, qui l'emporte elle-même sur ln x.

1 I. Limites d'une fonction en l'infini

Limite finie en ++\infty ou -\infty

Interprétation graphique : la courbe de ff se rapproche de plus en plus de la droite d'équation y=y = \ell lorsque xx tend vers ++\infty. Cette droite est appelée asymptote horizontale à la courbe de ff en ++\infty.

Limite infinie en ++\infty ou -\infty

Interprétation : les valeurs de f(x)f(x) deviennent aussi grandes que l'on veut lorsque xx est suffisamment grand.

Limites des fonctions de référence en l'infini

FonctionLimite en ++\inftyLimite en -\infty
xxnx \mapsto x^n (n1n \geqslant 1 pair)++\infty++\infty
xxnx \mapsto x^n (n1n \geqslant 1 impair)++\infty-\infty
x1xx \mapsto \dfrac{1}{x}0000
x1xnx \mapsto \dfrac{1}{x^n} (n1n \geqslant 1)0000
xxx \mapsto \sqrt{x}++\infty
xexx \mapsto e^x++\infty00

2 II. Limites d'une fonction en un réel

Limite finie en un réel

Limite infinie en un réel — Asymptote verticale

Limites à gauche et à droite

FonctionLimite à gauche en 00Limite à droite en 00
x1xx \mapsto \dfrac{1}{x}-\infty++\infty
x1x2x \mapsto \dfrac{1}{x^2}++\infty++\infty

3 III. Opérations sur les limites

Limite d'une somme

Les règles suivantes permettent de calculer la limite d'une combinaison de fonctions dont on connaît les limites. Ces résultats sont admis.
limf\lim f\ell\ell\ell++\infty-\infty++\infty
limg\lim g\ell'++\infty-\infty++\infty-\infty-\infty
lim(f+g)\lim(f+g)+\ell+\ell'++\infty-\infty++\infty-\inftyFI

Limite d'un produit

limf\lim f\ell>0\ell > 0<0\ell < 0++\infty00
limg\lim g\ell'±\pm\infty±\pm\infty++\infty±\pm\infty
lim(f×g)\lim(f \times g)×\ell \times \ell'±\pm\infty\mp\infty++\inftyFI

Limite d'un quotient

limf\lim f\ell0\ell \neq 0±\pm\infty00±\pm\infty
limg\lim g0\ell' \neq 0000\ell' \neq 000±\pm\infty
limfg\lim \frac{f}{g}\frac{\ell}{\ell'}±\pm\infty±\pm\inftyFIFI

Les formes indéterminées

Schéma de décision — Calculer une limite
Règles directes applicables ?
Oui
Calculer
operations + ref.
Non (FI)
Type de FI ?
\dfrac{\infty}{\infty}
terme dominant
++\infty - \infty
factoriser
++\infty - \infty + x\sqrt{\phantom{x}}
conjuguée
00\dfrac{0}{0}
factoriser (x-a)
00\dfrac{0}{0} + x\sqrt{\phantom{x}}
conjuguée
0×0 \times \infty
réécrire en fraction

4 IV. Limites et comparaison

Théorème de comparaison

Lorsque les opérations sur les limites ne suffisent pas, on peut utiliser des théorèmes de comparaison.

Théorème des gendarmes

5 V. Croissances comparées

L'exponentielle l'emporte sur les puissances

En cas de forme indéterminée entre la fonction exponentielle et une fonction puissance, les résultats de croissances comparées permettent de conclure. L'idée fondamentale est que la fonction exponentielle l'emporte sur toute fonction puissance en ++\infty.
Démonstration (au programme)
Cas n=1n = 1 : Montrons que limx+exx=+\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x} = +\infty.

Pour tout x0x \geqslant 0, on utilise l'inégalité ex1+x+x22e^x \geqslant 1 + x + \frac{x^2}{2} (admise, conséquence de la convexité de l'exponentielle).

Donc pour x>0x > 0 :
exx1+x+x22x=1x+1+x2\frac{e^x}{x} \geqslant \frac{1 + x + \frac{x^2}{2}}{x} = \frac{1}{x} + 1 + \frac{x}{2}
Or limx+(1x+1+x2)=+\lim_{x \to +\infty} \left(\frac{1}{x} + 1 + \frac{x}{2}\right) = +\infty.

Par comparaison : limx+exx=+\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x} = +\infty.

Cas général n2n \geqslant 2 : On écrit exxn=(ex/nx)n\frac{e^x}{x^n} = \left(\frac{e^{x/n}}{x}\right)^n.

En effet, ex=(ex/n)ne^x = \left(e^{x/n}\right)^n. De plus, pour x>0x > 0, ex/nx=1nex/nx/n\frac{e^{x/n}}{x} = \frac{1}{n} \cdot \frac{e^{x/n}}{x/n}.

En posant t=xnt = \frac{x}{n}, quand x+x \to +\infty, on a t+t \to +\infty et d'après le cas n=1n = 1 : ett+\frac{e^t}{t} \to +\infty.

Donc ex/nx+\frac{e^{x/n}}{x} \to +\infty et (ex/nx)n+\left(\frac{e^{x/n}}{x}\right)^n \to +\infty.

Ainsi : limx+exxn=+\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x^n} = +\infty. \square

6 VI. Limite d'une fonction composée

Composition de limites

7 VII. Asymptotes — Récapitulatif

Asymptotes parallèles aux axes

Ce chapitre est tombé au bac

1 sujet officiel de bac comporte un exercice sur ce chapitre — chaque corrigé est détaillé question par question.

Questions fréquentes

Comment lever une forme indéterminée ?
Il n'existe pas de règle unique : on transforme l'expression jusqu'à faire disparaître l'indétermination. Pour un quotient de polynômes, on factorise par le terme de plus haut degré ; pour \infty - \infty, on factorise ou on multiplie par l'expression conjuguée ; quand une exponentielle ou un logarithme apparaît, on invoque les croissances comparées.
Qu'est-ce qu'une croissance comparée ?
C'est la hiérarchie entre les vitesses de divergence : l'exponentielle l'emporte sur toute puissance, et toute puissance l'emporte sur le logarithme. Concrètement, exxn+\dfrac{e^x}{x^n} \to +\infty et lnxx0\dfrac{\ln x}{x} \to 0 quand x+x \to +\infty. C'est l'outil qui lève la plupart des indéterminations du chapitre.
Comment trouver les asymptotes d'une courbe ?
Une asymptote verticale d'équation x=ax = a apparaît quand la fonction tend vers l'infini en aa. Une asymptote horizontale y=y = \ell apparaît quand la fonction tend vers un réel \ell en ±\pm\infty. Une asymptote oblique y=ax+by = ax + b existe si f(x)(ax+b)f(x) - (ax+b) tend vers 00 à l'infini.