Ce contrôle de maths sup porte sur le thème suivant : limites, continuité et valeurs intermédiaires.
Ce devoir de deux heures évalue le chapitre des limites et de la continuité, sans aucun recours à la dérivation. Il s’ouvre sur la démonstration du théorème de la bijection continue, puis vous demande de prouver qu’une fonction n’a pas de limite grâce à la caractérisation séquentielle.
Vous étudierez ensuite des prolongements par continuité et plusieurs applications du théorème des valeurs intermédiaires et des bornes atteintes. Le problème final résout l’équation fonctionnelle de Cauchy par densité de Q. Rédigez chaque argument en nommant le théorème utilisé.
- Niveau : maths sup (MPSI)
- Chapitre : Limites et continuité des fonctions
- Durée conseillée : 2 heures
- Barème : sur 20 points (exercice 1 : 4 points ; exercice 2 : 4 points ; exercice 3 : 3 points ; exercice 4 : 4 points ; exercice 5 : 5 points)
- Compétences évaluées :
- Raisonner : prouver l’absence de limite par caractérisation séquentielle
- Calculer : prolonger une fonction par continuité
- Chercher : appliquer le théorème des valeurs intermédiaires
- Démontrer : résoudre une équation fonctionnelle
Exercice 1 : Théorème de la bijection continue (4 points)
Calculatrice interdite. Durée conseillée : 2 heures. Les résultats sur la dérivabilité ne sont pas autorisés dans ce devoir.
- Énoncez le théorème de la bijection continue pour une fonction définie sur un intervalle \(I\). (1 point)
- Soit \(f\) continue et strictement croissante sur un intervalle \(I\). En utilisant le théorème des valeurs intermédiaires, démontrez que \(f(I)\) est un intervalle, puis que \(f\) réalise une bijection de \(I\) sur \(f(I)\). (1,5 point)
- Démontrez que la bijection réciproque \(f^{-1}\) est strictement croissante sur \(f(I)\). (1 point)
- Application : justifiez que \(g : x \mapsto x + e^x\) réalise une bijection de \(\mathbb{R}\) sur \(\mathbb{R}\), puis donnez la valeur de \(g^{-1}(1)\). (0,5 point)
Exercice 2 : Caractérisation séquentielle de la limite (4 points)
- Démontrez que la fonction \(x \mapsto \sin(\dfrac{1}{x})\), définie sur \(\mathbb{R}^*\), n’admet pas de limite en \(0\). (1,5 point)
- On note \(\mathbf{1}_{\mathbb{Q}}\) la fonction qui vaut \(1\) sur \(\mathbb{Q}\) et \(0\) sur \(\mathbb{R} \setminus \mathbb{Q}\). Démontrez qu’elle n’admet de limite en aucun point \(a \in \mathbb{R}\). (1,5 point)
- Démontrez en revanche que \(x \mapsto x\sin(\dfrac{1}{x})\) admet une limite en \(0\), que vous préciserez. (1 point)
Exercice 3 : Prolongements par continuité (3 points)
- Montrez que \(f : x \mapsto \dfrac{\sqrt{1 + x} – 1}{x}\), définie sur \([-1, 0[ \cup ]0, +\infty[\), se prolonge par continuité en \(0\). (1 point)
- Montrez que \(g : x \mapsto x \lfloor \dfrac{1}{x} \rfloor\), définie sur \(]0, +\infty[\), se prolonge par continuité en \(0\). (1 point)
- Montrez que \(h : x \mapsto \lfloor x \rfloor + \sqrt{x – \lfloor x \rfloor}\) est continue sur \(\mathbb{R}\). (1 point)
Exercice 4 : Valeurs intermédiaires et bornes atteintes (4 points)
- Soit \(f : [0, 1] \to [0, 1]\) continue. Montrez que \(f\) admet un point fixe. (1 point)
- Soit \(f\) continue sur \([0, 1]\) telle que \(f(0) = f(1)\). Montrez qu’il existe \(c \in [0, \dfrac{1}{2}]\) tel que \(f(c + \dfrac{1}{2}) = f(c)\). (1,5 point)
- Soit \(f\) continue sur un segment \([a, b]\) et strictement positive. Montrez qu’il existe \(m > 0\) tel que \(f(x) \geq\, m\) pour tout \(x \in [a, b]\). (0,5 point)
- Soit \(f\) continue sur \(\mathbb{R}\) telle que \(f(x) \to +\infty\) quand \(x \to +\infty\) et quand \(x \to -\infty\). Montrez que \(f\) admet un minimum sur \(\mathbb{R}\). (1 point)
Exercice 5 : Problème – l’équation fonctionnelle de Cauchy (5 points)
On cherche les fonctions \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) continues telles que, pour tous réels \(x\) et \(y\) :
\[f(x + y) = f(x) + f(y).\]
Soit \(f\) une telle fonction. On pose \(a = f(1)\).
- Montrez que \(f(0) = 0\) et que \(f\) est impaire. (0,5 point)
- Montrez que \(f(nx) = n f(x)\) pour tout \(n \in \mathbb{Z}\) et tout \(x \in \mathbb{R}\). (1 point)
- Déduisez-en que \(f(r) = ar\) pour tout \(r \in \mathbb{Q}\). (1 point)
- En utilisant la densité de \(\mathbb{Q}\) et la caractérisation séquentielle de la continuité, montrez que \(f(x) = ax\) pour tout réel \(x\). Concluez. (1 point)
- Montrez qu’une fonction vérifiant la relation fonctionnelle et continue en \(0\) seulement est en fait continue sur \(\mathbb{R}\). (0,5 point)
- Déterminez toutes les fonctions \(g : \mathbb{R} \to ]0, +\infty[\) continues telles que \(g(x + y) = g(x)g(y)\) pour tous réels \(x, y\). (1 point)
Réviser avant le contrôle : limites, continuité et valeurs intermédiaires
Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Limites et continuité » en maths sup puis entraînez-vous avec les exercices corrigés limites et continuité.
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