Théorème des gendarmes

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

En analyse, le théorème des gendarmes, également appelé théorème d'encadrement, s'énonce de la manière suivante :

Si $f$ , $g$ et $h$ sont trois fonctions réelles définies sur un même intervalle $I$ , telles que pour tout $x$ de $I$ dans un voisinage de $a$ :

$f(x)\le g(x) \le h(x)$ et $\lim_{x \to a}f(x) = \lim_{x \to a}h(x) = L$ (a fini ou non), alors on a aussi : $\lim_{x \to a}g(x) = L$

[modifier] Origine du nom

Pour comprendre ce nom, il faut assimiler les fonctions $f$ et $h$ à des gendarmes et $g$ au prisonnier. Ce dernier, étant encadré par les deux gendarmes il est alors obligé de les suivre jusqu'à la prison $L$ .

[modifier] Démonstration

La démonstration est directement issue de la notion de voisinage de $a$ et de la définition de la limite.

Pour tout intervalle ouvert U contenant L,

Puisque $\lim_{x \to a}f(x) = L$ , il existe un voisinage V₁ de a tel que

pour tout x de V₁, $f(x) \in U$

Puisque $\lim_{x \to a}h(x) = L$ , il existe un voisinage V₂ de a tel que

pour tout x de V₂, $h(x) \in U$

Enfin, d'après la propriété d'encadrement, il existe un voisinage V₃ de a tel que

pour tout x de V₃, $f(x) \le g(x) \le h(x)$

L'intersection de trois voisinages est un voisinage donc $V = V_1 \cap V_2 \cap V_3$ est un voisinage de a et pour tout x de V, on a

$f(x) \in U$
$h(x) \in U$
$f(x) \le g(x) \le h(x)$

d'où il vient que

$g(x) \in U$

ce qui prouve que $\lim_{x \to a}g(x) = L$

[modifier] Exemple

Soit $f(x) = {\sin(x)\over x}$ , $x > 0$ . On cherche la limite en l'infini de cette fonction.
On sait que : $-1 \le \sin(x) \le 1$ . D'où, pour $x > 0$ : $-{1\over x} \le {\sin(x)\over x} \le {1\over x}$

Ou $\lim_{x \to \infty}-{1\over x} = \lim_{x \to \infty}{1\over x} = 0$
Donc, d'après le théorème d'encadrement : $\lim_{x \to \infty}f(x) = 0$

[modifier] Variantes

Des variantes de ce théorème existent pour des fonctions dont la limite est infinie, mais c'est un théorème de comparaison qui n'est pas celui des gendarmes (à noter "par théorème de comparaison" donc)