Décomposition analytique et limite
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Existence de la fonction $ \varphi $
- Pour $ x \neq 5 $, on pose $ t = x - 5 $. On définit la fonction $ \varphi $ sur $ \mathbb{R} $ par : \[ \varphi(t) = \begin{cases} \frac{(f(t + 5))^2 - 9}{\sqrt{|t|}} & \text{si } t \neq 0 \\ 0 & \text{si } t = 0 \end{cases} \]
- Par hypothĂšse, $ \lim_{t \to 0} \varphi(t) = 0 $. Puisque $ \varphi(0) = 0 $, la fonction $ \varphi $ est continue en $ 0 $.
- On a donc bien l'existence de $ \varphi $ telle que pour tout $ x \neq 5 $ : \[ (f(x))^2 - 9 = \varphi(x - 5)|x - 5|^{\frac{1}{2}} \]
- En utilisant l'identité remarquable, on peut réécrire cette égalité sous la forme : \[ (f(x) - 3)(f(x) + 3) = \varphi(x - 5)|x - 5|^{\frac{1}{2}} \]
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Détermination analytique des limites possibles
L'énoncé garantit l'existence de la limite. On note $ L = \lim_{x \to 5} f(x) $.
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- On suppose que $ L \neq -3 $. Ainsi, $ \lim_{x \to 5} (f(x) + 3) = L + 3 \neq 0 $.
- Puisque la limite est non nulle, au voisinage de $ 5 $, on a $ f(x) + 3 \neq 0 $. On peut donc diviser par ce terme : \[ f(x) - 3 = \frac{1}{f(x) + 3} \varphi(x - 5)|x - 5|^{\frac{1}{2}} \]
- Le terme $ \frac{1}{f(x) + 3} $ admet une limite finie $ \frac{1}{L + 3} $ en $ 5 $. En appliquant le produit des limites : \[ \lim_{x \to 5} (f(x) - 3) = \frac{1}{L + 3} \times 0 \times 0 = 0 \]
- On en conclut analytiquement que $ \lim_{x \to 5} f(x) = 3 $.
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- De mĂȘme, on suppose que $ L \neq 3 $. Ainsi, $ \lim_{x \to 5} (f(x) - 3) = L - 3 \neq 0 $.
- Au voisinage de $ 5 $, on a $ f(x) - 3 \neq 0 $. En divisant par ce terme, on obtient : \[ f(x) + 3 = \frac{1}{f(x) - 3} \varphi(x - 5)|x - 5|^{\frac{1}{2}} \]
- Par le mĂȘme raisonnement sur le produit des limites : \[ \lim_{x \to 5} (f(x) + 3) = \frac{1}{L - 3} \times 0 \times 0 = 0 \]
- On en conclut que $ \lim_{x \to 5} f(x) = -3 $.
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- Le raisonnement précédent démontre que si la limite n'est pas $ -3 $, c'est obligatoirement $ 3 $, et inversement.
- Par conséquent, l'ensemble des limites possibles de $ f $ en $ 5 $ est exactement $ \{-3, 3\} $.
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