$$\newcommand{\mtn}{\mathbb{N}}\newcommand{\mtns}{\mathbb{N}^*}\newcommand{\mtz}{\mathbb{Z}}\newcommand{\mtr}{\mathbb{R}}\newcommand{\mtk}{\mathbb{K}}\newcommand{\mtq}{\mathbb{Q}}\newcommand{\mtc}{\mathbb{C}}\newcommand{\mch}{\mathcal{H}}\newcommand{\mcp}{\mathcal{P}}\newcommand{\mcb}{\mathcal{B}}\newcommand{\mcl}{\mathcal{L}} \newcommand{\mcm}{\mathcal{M}}\newcommand{\mcc}{\mathcal{C}} \newcommand{\mcmn}{\mathcal{M}}\newcommand{\mcmnr}{\mathcal{M}_n(\mtr)} \newcommand{\mcmnk}{\mathcal{M}_n(\mtk)}\newcommand{\mcsn}{\mathcal{S}_n} \newcommand{\mcs}{\mathcal{S}}\newcommand{\mcd}{\mathcal{D}} \newcommand{\mcsns}{\mathcal{S}_n^{++}}\newcommand{\glnk}{GL_n(\mtk)} \newcommand{\mnr}{\mathcal{M}_n(\mtr)}\DeclareMathOperator{\ch}{ch} \DeclareMathOperator{\sh}{sh}\DeclareMathOperator{\th}{th} \DeclareMathOperator{\vect}{vect}\DeclareMathOperator{\card}{card} \DeclareMathOperator{\comat}{comat}\DeclareMathOperator{\imv}{Im} \DeclareMathOperator{\rang}{rg}\DeclareMathOperator{\Fr}{Fr} \DeclareMathOperator{\diam}{diam}\DeclareMathOperator{\supp}{supp} \newcommand{\veps}{\varepsilon}\newcommand{\mcu}{\mathcal{U}} \newcommand{\mcun}{\mcu_n}\newcommand{\dis}{\displaystyle} \newcommand{\croouv}{[\![}\newcommand{\crofer}{]\!]} \newcommand{\rab}{\mathcal{R}(a,b)}\newcommand{\pss}[2]{\langle #1,#2\rangle} $$
Bibm@th

Résumé de cours : comparaison de suites et de fonctions

Relation de domination, de négligeabilité, d'équivalence : cas des fonctions

Soit $I$ un intervalle ouvert, $f,g:I\to\mathbb R$ et soit $a$ une extrémité de $I$ (éventuellement, $a=\pm \infty$). On suppose que $g$ ne s'annule pas au voisinage de $a$.

On dit que $f$ est dominée par $g$ au voisinage de $a$ s'il existe un intervalle ouvert $J$ dont $a$ est une extrémité ($J$ est de la forme $]A,+\infty[$ si $a=+\infty$) et un réel $M>0$ telle que $$\forall x\in J,\ \left|\frac{f(x)}{g(x)}\right|\leq M.$$ On note $$f=_aO(g)\textrm{ ou }f(x)=_a O(g(x)).$$

On dit que $f$ est négligeable devant $g$ si la fonction $\displaystyle \frac fg$ tend vers 0 en a. On note $$f=_ao(g)\textrm{ ou }f(x)=_a o(g(x)).$$

On dit que $f$ est équivalente à $g$ si la fonction $\displaystyle \frac fg$ tend vers 1 en $a$. On note $$f\sim_a g\textrm{ ou }f(x)\sim_a g(x).$$ Ceci revient à dire que $f(x)=_a g(x)+o(g(x))$.

Propriétés et règles de calculs

Dans ce paragraphe, $f,g:I\to\mathbb R$, $a$ est une extrémité de $I$, et $g$ ne s'annule pas au voisinage de $a$.

Proposition :
  • Si $f\sim_a g$, alors il existe un intervalle ouvert $J$ dont $a$ est une extrémité tel que, pour tout $x\in J$, $f(x)$ et $g(x)$ ont même signe.
  • Si $f\sim_a g$ et si $\lim_{x\to a}g(x)=\ell$, alors $\lim_{x\to a}f(x)=\ell$.

Le deuxième point de cette proposition indique le but des équivalents : pour déterminer la limite de $f$ en un point, il suffit de déterminer une fonction $g$, souvent plus simple, telle que $f$ est équivalente à $g$ en ce point, puis de déterminer la limite de $g$ en ce point.

Règles de calcul pour les équivalents : Soient $f$, $g$, $u$, $v$ quatre fonctions définies au voisinage de $a$ :
  • si $f\sim_a g$ et $u\sim_a v$, alors $f\times u\sim_a g\times v$.
  • si $f\sim_a g$ et $u\sim_a v$, alors $\frac{f}{u}\sim_a \frac{g}{v}$.
  • si $f\sim_a g$ et $p\in\mathbb Z$, alors $f^p\sim_a g^p$.

Attention! En général, on ne peut pas ajouter des équivalents!

Règles de calcul pour la relation de négligeabilité : Soient $f$, $g$ et $h$ trois fonctions définies au voisinage de $a$ :
  • si $f=_ao(h)$ et $g=_ao(h)$, alors $\alpha f+\beta g=_ao(h)$ pour tout $(\alpha,\beta)\in\mathbb R^2$.
  • si $f=_ao(g)$ et $g=_ao(h)$, alors $f=_ao(h)$.
  • si $f=_ao(g)$, alors $f\times h=_ao(g\times h)$.
Relations de domination, de négligeabilité, d'équivalence : cas des suites

Soient $(u_n)$ et $(v_n)$ deux suites de nombres réels. On supposera que $(v_n)$ ne s'annule pas à partir d'un certain rang.

On dit que $(u_n)$ est dominée par $(v_n)$ si la suite $\displaystyle \left(\frac{u_n}{v_n}\right)$ est bornée. Autrement dit, s'il existe un réel $M$ et un entier $n_0$ tel que, pour tout $n\geq n_0$, on a $|u_n|\leq M|v_n|$. On note $$u_n=O(v_n).$$

On dit que $(u_n)$ est négligeable devant $(v_n)$ si la suite $\displaystyle \left(\frac{u_n}{v_n}\right)$ tend vers 0. On note $$u_n=o(v_n).$$

On dit que $(u_n)$ est équivalente à $(v_n)$ si la suite $\displaystyle \left(\frac{u_n}{v_n}\right)$ tend vers 1. On note $$u_n\sim v_n.$$ Ceci revient à dire que $u_n=v_n+o(v_n)$, ou encore que $v_n=u_n+o(u_n)$.

Les règles de calculs et les propriétés étudiées pour les fonctions restent vraies pour les suites.

Équivalents usuels, croissance comparée
Proposition : Soit $u:I\to\mathbb R$ et $a\in I$. Si $u$ est dérivable en $a$ et si $u'(a)\neq 0$, alors $u(x)-u(a)\sim_a u'(a)(x-a)$.

On en déduit les équivalents usuels suivants : $$\begin{array}{lll} \sin x\sim_0 x&\quad&\ln(1+x)\sim_0 x\\ 1-\cos x\sim_0 \frac{x^2}2&\quad&e^x-1\sim_0 x\\ (1+x)^\alpha-1\sim_0 \alpha x. \end{array}$$

Les propriétés classiques de comparaison des fonctions en $0$ et en $+\infty$ s'écrivent de la façon suivante avec les notations introduites dans ce chapitre : pour tous $\alpha>0,\ \beta>0,\ \gamma>0$, on a $$(\ln x)^\beta=_{+\infty}o(x^\alpha)\textrm{ et }x^\alpha=_{+\infty}o(e^{\gamma x});$$ $$(\ln x)^\beta=_{0}o(x^{-\alpha}).$$

Comparaison des fonctions puissance : Soient $\alpha,\beta\in\mathbb R$.
  1. On a $x^\alpha=_0o(x^\beta)$ si et seulement si $\alpha>\beta$;
  2. On a $x^\alpha=_{+\infty}o(x^\beta)$ si et seulement si $\alpha<\beta$.
Formule de Stirling : $$n!\sim_{+\infty}\sqrt{2\pi n}n^n e^{-n}.$$

En particulier, pour tout $a\in \mathbb R$, on a $$a^n=o(n!)\textrm{ et }n!=o(n^n).$$

Comparaison des suites et des fonctions