Fonctions : représentations et lecture graphique

Passer d’une formule à un tableau ou à une courbe, lire une image et des antécédents, puis résoudre graphiquement des équations et des inéquations.

VocabulaireCourbesMéthodesExercices

1. Notion de fonction

Définition

Une fonction \(f\) associe à chaque réel \(x\) d’un ensemble \(D\) un unique réel, noté \(f(x)\). L’ensemble \(D\) est l’ensemble de définition de \(f\).

\(f:D\longrightarrow\mathbb R\)et\(x\longmapsto f(x)\).

Exemple

On considère la fonction affine \(f\) définie sur \([-2\,;2]\) par \(f(x)=2x+1\).

\[f(1)=2\times1+1=3 \qquad\text{et}\qquad f(0)=2\times0+1=1.\]

  • \(3\) est l’image de \(1\) ;
  • \(1\) est un antécédent de \(3\).
Un nombre de l’ensemble de définition possède une seule image. Un nombre peut, en revanche, avoir aucun, un ou plusieurs antécédents.

Quatre modes de représentation

  • une expression algébrique ;
  • un tableau de valeurs ;
  • une courbe dans un repère ;
  • un programme de calcul ou un algorithme.
\(x\)−2−1012
\(f(x)=2x+1\)−3−1135

2. Courbe représentative

Définition et appartenance d’un point

La courbe \(\mathcal C_f\) est l’ensemble des points \(M(x\,;f(x))\), pour \(x\in D\). Elle a pour équation \(y=f(x)\).

\[M(a\,;b)\in\mathcal C_f\quad\Longleftrightarrow\quad b=f(a).\]

Droite représentative de la fonction affine deux x plus unDroite de la fonction f définie par f de x égale deux x plus un sur moins deux à deux, avec le point A de coordonnées un et trois et les traits de lecture. −2−112xy −3−2−112345 A(1 ; 3)𝒞f

La courbe de la fonction affine \(f(x)=2x+1\) est une droite. Le point \(A(1\,;3)\) lui appartient car \(f(1)=3\).

3. Lire et résoudre graphiquement

Lire l’image de \(a\)

  1. Partir de \(a\) sur l’axe des abscisses.
  2. Se déplacer verticalement jusqu’à la courbe.
  3. Lire l’ordonnée obtenue : c’est \(f(a)\).

Lire les antécédents de \(b\)

  1. Partir de \(b\) sur l’axe des ordonnées.
  2. Tracer la droite horizontale \(y=b\).
  3. Lire les abscisses de tous les points d’intersection.

Pour \(f(x)=2x+1\), l’antécédent de \(3\) est \(1\).

Équations et inéquations

  • \(f(x)=k\) : abscisses des intersections de \(\mathcal C_f\) et \(y=k\) ;
  • \(f(x)<k\) : abscisses des points où \(\mathcal C_f\) est sous \(y=k\) ;
  • \(f(x)=g(x)\) : abscisses des intersections de \(\mathcal C_f\) et \(\mathcal C_g\) ;
  • \(f(x)<g(x)\) : abscisses où \(\mathcal C_f\) est sous \(\mathcal C_g\).
Une lecture graphique donne souvent des valeurs approchées. Les solutions se lisent toujours sur l’axe des abscisses.

4. Symétries : fonctions paires et impaires

Fonction paire

Si \(D\) est symétrique par rapport à \(0\) et si \(f(-x)=f(x)\), alors \(f\) est paire. Sa courbe est symétrique par rapport à l’axe des ordonnées. Exemple : \(f(x)=x^2\).

Fonction impaire

Si \(D\) est symétrique par rapport à \(0\) et si \(f(-x)=-f(x)\), alors \(f\) est impaire. Sa courbe est symétrique par rapport à l’origine. Exemple : \(f(x)=x^3\).

5. Positions relatives de \(y=x\), \(y=x^2\) et \(y=x^3\)

  • Si \(0\leq x\leq1\), alors \(0\leq x^3\leq x^2\leq x\leq1\).
  • Si \(x\geq1\), alors \(1\leq x\leq x^2\leq x^3\).

La plus petite valeur correspond à la courbe située le plus bas.

Exercices d’entraînement

Exercice 1 — Images et antécédents

Soit \(f(x)=2x+1\) sur \([-2\,;2]\).

  1. Calculer \(f(-2)\), \(f(0)\) et \(f(1{,}5)\).
  2. Déterminer l’antécédent de \(5\).
  3. Le point \(B(-1\,;-1)\) appartient-il à \(\mathcal C_f\) ? Justifier.
Afficher la correction
  1. Les nombres −2, 0 et 1,5 appartiennent bien à l’ensemble de définition \([-2;2]\). On remplace x par chaque valeur : \(f(-2)=2\times(-2)+1=\boxed{-3}\), \(f(0)=2\times0+1=\boxed1\) et \(f(1{,}5)=2\times1{,}5+1=\boxed4\).
  2. On résout \(2x+1=5\), soit \(2x=4\), donc \(x=2\). Comme \(2\in[-2;2]\), l’unique antécédent de 5 est 2.
  3. L’abscisse −1 appartient au domaine. On calcule \(f(-1)=2\times(-1)+1=-1\), ce qui est l’ordonnée de B. Donc \(\boxed{B\in\mathcal C_f}\).

Exercice 2 — Lecture graphique

À l’aide de la droite du cours :

  1. lire l’image de \(1\) ;
  2. lire l’antécédent de \(3\) ;
  3. résoudre graphiquement \(f(x)\leq3\) sur \([-2\,;2]\).
Afficher la correction
  1. On part de l’abscisse 1, on monte verticalement jusqu’à la droite, puis on lit l’ordonnée 3 : \(\boxed{f(1)=3}\).
  2. La droite horizontale d’équation \(y=3\) coupe la courbe au point A, d’abscisse 1 : l’antécédent de 3 est 1.
  3. Sur le domaine \([-2;2]\), la courbe est sur ou sous la droite \(y=3\) pour les abscisses allant de −2 à 1. On inclut −2, borne du domaine, et 1, car l’égalité est autorisée. Ainsi, \(\boxed{S=[-2;1]}\). Vérification algébrique : \(2x+1\leq3\iff x\leq1\), puis on intersecte avec \([-2;2]\).

Exercice 3 — Deux fonctions

On considère \(f(x)=x^2\) et \(g(x)=x\) sur \([0\,;2]\).

  1. Résoudre \(f(x)=g(x)\).
  2. Résoudre \(f(x)\leq g(x)\).
  3. Interpréter graphiquement les réponses.
Afficher la correction
  1. \(f(x)=g(x)\iff x^2=x\iff x^2-x=0\iff x(x-1)=0\). Un produit est nul si au moins un facteur est nul : \(x=0\) ou \(x=1\). Les deux nombres appartiennent à \([0;2]\), donc \(\boxed{S=\{0;1\}}\).
  2. \(f(x)\leq g(x)\iff x(x-1)\leq0\). Sur \([0;1]\), x est positif ou nul et x − 1 négatif ou nul : le produit est négatif ou nul. Sur \(]1;2]\), les deux facteurs sont strictement positifs. Donc \(\boxed{S=[0;1]}\).
  3. Les courbes se coupent en \(O(0;0)\) et \(A(1;1)\). Sur \([0;1]\), la parabole \(y=x^2\) est sur ou sous la droite \(y=x\). Sur \(]1;2]\), elle est strictement au-dessus. Les solutions de l’équation sont les abscisses des intersections, et non les points eux-mêmes.

Exercice 4 — Symétrie

Déterminer si les fonctions suivantes sont paires, impaires ou ni l’une ni l’autre : \(u(x)=x^2+3\), \(v(x)=x^3-2x\) et \(w(x)=x^2+x\).

Afficher la correction

Ces trois fonctions polynomiales sont définies sur \(\mathbb R\), un ensemble symétrique par rapport à 0. Les identités ci-dessous sont étudiées pour tout réel x.

  1. \(u(-x)=(-x)^2+3=x^2+3=u(x)\). Donc u est paire : sa courbe est symétrique par rapport à l’axe des ordonnées. Elle n’est pas impaire puisque \(u(0)=3\ne0\).
  2. \(v(-x)=(-x)^3-2(-x)=-x^3+2x=-(x^3-2x)=-v(x)\). Donc v est impaire : sa courbe est symétrique par rapport à l’origine. Elle n’est pas paire, car \(v(1)=-1\) et \(v(-1)=1\).
  3. \(w(-x)=x^2-x\). Pour exclure les deux parités, un contre-exemple suffit : \(w(1)=2\) et \(w(-1)=0\). Ainsi, \(w(-1)\ne w(1)\) et \(w(-1)\ne-w(1)\). Donc w n’est ni paire ni impaire.

Vidéo

Vidéo explicative sur la représentation graphique des fonctions :

À retenir

Image : on part de l’abscisse et on lit l’ordonnée.

Antécédent : on part de l’ordonnée et on lit une ou plusieurs abscisses.

Appartenance : \(M(a\,;b)\in\mathcal C_f\) exactement lorsque \(b=f(a)\).