Lever une forme indéterminée (∞/∞, ∞−∞, 0×∞)

Définition, méthode rigoureuse, exemples corrigés et exercice type BAC.

📚 Terminale Spécialité Maths ⏱ Lecture : 5 min ✅ Programme officiel BO 2019

Une forme indéterminée est une situation où l'application directe des règles de calcul des limites ne permet pas de conclure sur la valeur de la limite d'une expression. Les formes indéterminées courantes sont : $\frac{0}{0}$, $\frac{\infty}{\infty}$, $0 × \infty$, $\infty - \infty$, $1^\infty$, $0^0$, $\infty^0$. En Terminale Spécialité, on se concentre principalement sur $\frac{\infty}{\infty}$, $0 × \infty$ et $\infty - \infty$.

💡 Bon réflexe : Toujours identifier la forme indéterminée avant d'appliquer une méthode, et justifier chaque étape de simplification ou de calcul de limite.
∞ − ∞Factoriser0 / 0Simplifier∞ / ∞Diviser par xⁿ0 × ∞Réécrire en 0/0Lever la forme indéterminéeavant d'appliquer les théorèmes
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Identifier la forme indéterminée

Avant toute chose, il est crucial de calculer les limites des différentes parties de l'expression pour déterminer si l'on est face à une forme indéterminée. Si ce n'est pas le cas, la limite peut être calculée directement.

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Factoriser le terme de plus haut degré (pour les polynômes et fonctions rationnelles)

Pour les formes indéterminées de type $\frac{\infty}{\infty}$ ou $\infty - \infty$ impliquant des polynômes ou des fonctions rationnelles, factoriser le terme de plus haut degré au numérateur et au dénominateur (pour les fonctions rationnelles) ou dans l'expression (pour les polynômes) permet souvent de simplifier l'expression et de lever l'indétermination. Pour les fonctions rationnelles, on ne garde que les termes de plus haut degré.

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Utiliser l'expression conjuguée (pour les racines carrées)

Lorsque l'expression contient des racines carrées et conduit à une forme indéterminée de type $\infty - \infty$ ou $\frac{0}{0}$, multiplier le numérateur et le dénominateur par l'expression conjuguée peut transformer l'expression en une forme plus simple où l'indétermination est levée. Rappel : $(a-b)(a+b) = a^2 - b^2$.

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Changer de variable ou utiliser les croissances comparées

Pour les formes indéterminées $0 × \infty$, on peut souvent transformer l'expression en $\frac{0}{0}$ ou $\frac{\infty}{\infty}$ (par exemple, $f(x) × g(x) = \frac{f(x)}{1/g(x)}$). Les théorèmes de croissances comparées sont essentiels pour les fonctions exponentielles et logarithmiques, par exemple $\lim_{x\to+\infty} \frac{e^x}{x^n} = +\infty$ et $\lim_{x\to+\infty} \frac{\ln(x)}{x^n} = 0$ pour tout $n > 0$.

Calculer la limite de la fonction $f(x) = \frac{x^2 - 3x + 1}{2x^2 + 5}$ lorsque $x$ tend vers $+\infty$.

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Identifier la forme indéterminée
Lorsque $x \to +\infty$, le numérateur $x^2 - 3x + 1$ tend vers $+\infty$ (car $x^2$ est le terme de plus haut degré et tend vers $+\infty$). Le dénominateur $2x^2 + 5$ tend également vers $+\infty$ (car $2x^2$ est le terme de plus haut degré et tend vers $+\infty$).
On est donc face à une forme indéterminée de type $\frac{\infty}{\infty}$.
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Factoriser le terme de plus haut degré au numérateur et au dénominateur
On factorise par $x^2$ au numérateur et au dénominateur :
$$f(x) = \frac{x^2(1 - \frac{3}{x} + \frac{1}{x^2})}{x^2(2 + \frac{5}{x^2})}$$
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Simplifier l'expression
On peut simplifier par $x^2$ (pour $x \neq 0$) :
$$f(x) = \frac{1 - \frac{3}{x} + \frac{1}{x^2}}{2 + \frac{5}{x^2}}$$
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Calculer la limite des termes restants
Lorsque $x \to +\infty$ :
$\lim_{x\to+\infty} \frac{3}{x} = 0$
$\lim_{x\to+\infty} \frac{1}{x^2} = 0$
$\lim_{x\to+\infty} \frac{5}{x^2} = 0$
Donc, $\lim_{x\to+\infty} (1 - \frac{3}{x} + \frac{1}{x^2}) = 1 - 0 + 0 = 1$
Et $\lim_{x\to+\infty} (2 + \frac{5}{x^2}) = 2 + 0 = 2$
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Conclure sur la limite de la fonction
Par quotient des limites, on obtient :
$$\lim_{x\to+\infty} f(x) = \frac{1}{2}$$

La limite de la fonction $f(x)$ lorsque $x$ tend vers $+\infty$ est $\frac{1}{2}$.

  1. Ne pas écrire clairement la forme indéterminée rencontrée avant d'appliquer une méthode de levée d'indétermination. C'est une étape cruciale de la rédaction.
  2. Appliquer une méthode (ex: expression conjuguée) sans que la forme indéterminée ne le justifie, ou pour une forme indéterminée qui ne s'y prête pas.
  3. Faire des simplifications incorrectes, notamment avec des termes de plus haut degré (ex: simplifier $x^2+x$ par $x^2$ en disant que $x$ est négligeable, au lieu de factoriser).

On considère la fonction $f$ définie sur $]0 ; +\infty[$ par $f(x) = x - \sqrt{x^2 + 2x}$.

  1. Déterminer la limite de $f(x)$ lorsque $x$ tend vers $+\infty$.
  2. Déterminer la limite de $f(x)$ lorsque $x$ tend vers $0^+$.
  1. Déterminer la limite de $f(x)$ lorsque $x$ tend vers $+\infty$.

    Lorsque $x \to +\infty$, $x \to +\infty$.

    Pour $\sqrt{x^2 + 2x}$ : Lorsque $x \to +\infty$, $x^2 + 2x \to +\infty$, donc $\sqrt{x^2 + 2x} \to +\infty$.

    On est donc face à une forme indéterminée de type $\infty - \infty$.

    Pour lever cette indétermination, on utilise l'expression conjuguée :

    $$f(x) = (x - \sqrt{x^2 + 2x}) \times \frac{x + \sqrt{x^2 + 2x}}{x + \sqrt{x^2 + 2x}}$$

    $$f(x) = \frac{x^2 - (x^2 + 2x)}{x + \sqrt{x^2 + 2x}}$$

    $$f(x) = \frac{x^2 - x^2 - 2x}{x + \sqrt{x^2 + 2x}}$$

    $$f(x) = \frac{-2x}{x + \sqrt{x^2 + 2x}}$$

    Maintenant, factorisons le terme de plus haut degré au dénominateur. Pour $\sqrt{x^2 + 2x}$, on peut écrire $\sqrt{x^2(1 + \frac{2}{x})} = \sqrt{x^2} \sqrt{1 + \frac{2}{x}}$.

    Puisque $x \to +\infty$, $x > 0$, donc $\sqrt{x^2} = x$.

    $$f(x) = \frac{-2x}{x + x\sqrt{1 + \frac{2}{x}}}$$

    $$f(x) = \frac{-2x}{x(1 + \sqrt{1 + \frac{2}{x}})}$$

    Simplifions par $x$ (pour $x \neq 0$) :

    $$f(x) = \frac{-2}{1 + \sqrt{1 + \frac{2}{x}}}$$

    Calculons la limite de cette nouvelle expression lorsque $x \to +\infty$ :

    $\lim_{x\to+\infty} \frac{2}{x} = 0$

    Donc $\lim_{x\to+\infty} (1 + \frac{2}{x}) = 1$.

    Par composition, $\lim_{x\to+\infty} \sqrt{1 + \frac{2}{x}} = \sqrt{1} = 1$.

    Ainsi, $\lim_{x\to+\infty} (1 + \sqrt{1 + \frac{2}{x}}) = 1 + 1 = 2$.

    Finalement, par quotient :

    $$\lim_{x\to+\infty} f(x) = \frac{-2}{2} = -1$$

  2. Déterminer la limite de $f(x)$ lorsque $x$ tend vers $0^+$.

    Lorsque $x \to 0^+$ :

    $\lim_{x\to 0^+} x = 0$

    Pour $\sqrt{x^2 + 2x}$ :

    $\lim_{x\to 0^+} (x^2 + 2x) = 0^2 + 2 \times 0 = 0$.

    Par composition, $\lim_{x\to 0^+} \sqrt{x^2 + 2x} = \sqrt{0} = 0$.

    Donc, $\lim_{x\to 0^+} f(x) = 0 - 0 = 0$.

    Il n'y a pas de forme indéterminée dans ce cas.

Questions fréquentes

Quelles sont les formes indéterminées à connaître pour le BAC ?
Les formes indéterminées principales à maîtriser pour le BAC sont : $\frac{0}{0}$, $\frac{\infty}{\infty}$, $0 × \infty$, et $\infty - \infty$. Les formes $1^\infty$, $0^0$, $\infty^0$ sont généralement abordées via le logarithme ou l'exponentielle, mais moins directement comme des formes à lever par des techniques spécifiques.
Quand utiliser la factorisation par le terme de plus haut degré ?
Cette méthode est particulièrement efficace pour les fonctions polynomiales et rationnelles (quotient de polynômes) lorsque $x \to \pm\infty$. Elle permet de lever les formes indéterminées $\frac{\infty}{\infty}$ et $\infty - \infty$ pour ces types de fonctions.
Comment gérer la forme indéterminée $0 × \infty$ ?
La forme $0 × \infty$ peut souvent être transformée en $\frac{0}{0}$ ou $\frac{\infty}{\infty}$ en écrivant $f(x) × g(x)$ comme $\frac{f(x)}{1/g(x)}$ ou $\frac{g(x)}{1/f(x)}$. On peut ensuite appliquer les méthodes de factorisation ou les croissances comparées, surtout avec les fonctions exponentielles et logarithmiques.
Les théorèmes de croissances comparées sont-ils utiles pour lever les formes indéterminées ?
Oui, absolument. Les théorèmes de croissances comparées sont fondamentaux pour lever les formes indéterminées impliquant des fonctions exponentielles, logarithmiques et puissances, notamment les formes $\frac{\infty}{\infty}$ ou $0 × \infty$. Par exemple, $\lim_{x\to+\infty} \frac{e^x}{x^n} = +\infty$ et $\lim_{x\to+\infty} x^n e^{-x} = 0$ pour tout $n \in \mathbb{N}^*$.

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