Calcul I MTH1101 • Polytechnique Montréal

Fiche de révision : limite et continuité à plusieurs variables (MTH1101, Polytechnique)

Cette fiche de révision porte sur la limite et la continuité des fonctions de plusieurs variables, section 3.2 de Stewart, *Calcul à plusieurs variables*, telle que le cours MTH1101 de Polytechnique la traite, juste avant les dérivées partielles, au programme du contrôle périodique 2. Elle ne refait pas le cours : elle dit ce qui coûte des points et quel geste l'évite. Aux contrôles périodiques comme à l'examen final, pas de calculatrice, et le seul document permis est votre aide-mémoire d'une feuille recto verso : les outils de majoration et les deux rédactions de cette fiche y ont leur place.

Un seul réflexe la traverse : avant d'écrire un mot, décidez si vous cherchez à RÉFUTER la limite, avec deux chemins, ou à la PROUVER, avec une majoration. Les deux tâches n'ont rien en commun, et presque toutes les copies fausses mélangent les deux.

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Le fil du chapitre

Une limite à deux variables doit être la même le long de TOUS les chemins à la fois : deux chemins qui donnent deux valeurs suffisent à prouver qu'elle n'existe pas, mais aucune liste de chemins, même toutes les droites, ne prouve qu'elle existe. Pour cela, il faut une majoration ∣f(x,y)−L∣≤g(x,y)|f(x,y)-L|\le g(x,y) qui ne dépend que de la distance au point et tend vers 00.

Ce chapitre fait partie de Calcul I MTH1101, Polytechnique Montréal : exercices corrigés et fiches, chapitre par chapitre
Pour s'entraîner Les exercices corrigés de ce chapitre, 10 exercices

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

L'essentiel

Une limite ne regarde pas un chemin, elle les regarde tous

  • • lim⁡(x,y)→(a,b)f(x,y)=L\lim\limits_{(x,y)\to(a,b)}f(x,y)=L : f(x,y)f(x,y) est aussi proche de LL qu'on veut pour TOUS les points du domaine assez proches de (a,b)(a,b), (x,y)≠(a,b)(x,y)\neq(a,b). Seule la distance au point compte.
  • • À une variable, on n'arrive en aa que par deux côtés. À deux variables, on y arrive par une infinité de chemins : droites, paraboles, spirales, courbes qui longent une zone exclue.
  • • Conséquence 1 : si deux chemins donnent deux limites différentes, la limite N'EXISTE PAS.
  • • Conséquence 2 : si tous les chemins essayés donnent LL, on n'a RIEN prouvé. On prouve par une majoration ∣f(x,y)−L∣≤g(x,y)|f(x,y)-L|\le g(x,y) avec g(x,y)→0g(x,y)\to 0, valable pour tous les points à la fois.
11−1−100003/53/53/53/5−3/5−3/5−3/5−3/5
x2−y2x2+y2\frac{x^{2}-y^{2}}{x^{2}+y^{2}} est constante sur chaque droite issue de l'origine : 11, 35\frac{3}{5}, 00, −35-\frac{3}{5}, −1-1. Toutes ces courbes de niveau se rejoignent en l'origine, donc pas de limite.

Sur une copie, la première ligne doit annoncer l'intention : « montrons que la limite n'existe pas » ou « montrons que la limite vaut L ». Un correcteur qui lit deux chemins concordants suivis de « donc la limite vaut 0 » retire toute la question.

Les outils de majoration, avec r la distance à l'origine

  • • r=x2+y2r=\sqrt{x^{2}+y^{2}} ; ∣x∣≤r|x|\le r et ∣y∣≤r|y|\le r ; 0≤x2x2+y2≤10\le\frac{x^{2}}{x^{2}+y^{2}}\le 1.
  • • 2∣xy∣≤x2+y22|xy|\le x^{2}+y^{2}, qui vient de (∣x∣−∣y∣)2≥0\left(|x|-|y|\right)^{2}\ge 0.
  • • ∣sin⁡u∣≤∣u∣|\sin u|\le|u| pour tout réel uu.
  • • Polaires : x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta ; la majoration finale doit dépendre de rr SEULEMENT.
  • • Trois variables : ρ=x2+y2+z2\rho=\sqrt{x^{2}+y^{2}+z^{2}}, et ∣x∣,∣y∣,∣z∣≤ρ|x|,|y|,|z|\le\rho.

Continuité : trois théorèmes et une définition

  • • ff est continue en (a,b)(a,b) si (a,b)(a,b) est dans son domaine et lim⁡(x,y)→(a,b)f(x,y)=f(a,b)\lim\limits_{(x,y)\to(a,b)}f(x,y)=f(a,b).
  • • Polynômes : continus sur R2\mathbb{R}^{2}. Fractions rationnelles : continues là où le dénominateur ne s'annule pas.
  • • Sommes, produits, quotients (dénominateur non nul) et composées de fonctions continues sont continus.
  • • Composée g∘hg\circ h : continue là où hh est continue ET prend ses valeurs là où gg est continue.
  • • Prolongement : si la limite en (a,b)(a,b) existe et vaut LL finie, poser f(a,b)=Lf(a,b)=L rend ff continue en ce point.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Conclure parce que toutes les droites donnent la même valeur

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le long de y=mxy=mx, xy2x2+y4=m2x1+m4x2→0\frac{xy^{2}}{x^{2}+y^{4}}=\frac{m^{2}x}{1+m^{4}x^{2}}\to 0 pour tout mm, et l'axe des yy donne 00. Donc la limite vaut 00. »

Ce qu'il faut écrire

« Le long de x=y2x=y^{2}, f=y42y4=12f=\frac{y^{4}}{2y^{4}}=\frac{1}{2} ; le long de l'axe des xx, f=0f=0. Deux chemins, deux limites : la limite n'existe pas. »

1/2−1/23/10−3/100
Chaque parabole x=ky2x=ky^{2} porte sa propre valeur, kk2+1\frac{k}{k^{2}+1} ; la droite pointillée les traverse toutes et ne voit que la valeur 00.

Pourquoi : Le dénominateur mélange x2x^{2} et y4y^{4} : l'équilibre se produit quand xx est de l'ordre de y2y^{2}, donc sur des paraboles, que les droites ne suivent jamais.

2. Une borne polaire qui dépend encore de l'angle

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« En polaires, x2y=rcos⁡2θsin⁡θ→0\frac{x^{2}}{y}=\frac{r\cos^{2}\theta}{\sin\theta}\to 0 quand r→0r\to 0. Donc la limite vaut 00. »

Ce qu'il faut écrire

« Le facteur cos⁡2θsin⁡θ\frac{\cos^{2}\theta}{\sin\theta} n'est pas borné quand θ→0\theta\to 0 ; le long de y=x22y=\frac{x^{2}}{2}, x2y=2\frac{x^{2}}{y}=2, et le long de y=xy=x, il tend vers 00 : pas de limite. »

0,511,522,531234|cos θ| sin²θ ≤ 1cos²θ / |sin θ|θ
Pour xy2x2+y2=rcos⁡θsin⁡2θ\frac{xy^{2}}{x^{2}+y^{2}}=r\cos\theta\sin^{2}\theta, le facteur d'angle reste sous 11 : preuve valable. Pour x2y\frac{x^{2}}{y}, il explose près de θ=0\theta=0 et θ=π\theta=\pi : aucune preuve.

Pourquoi : Faire tendre rr vers 00 à θ\theta fixé, c'est suivre UNE demi-droite. La preuve polaire exige ∣f−L∣≤g(r)|f-L|\le g(r) pour tous les angles à la fois.

3. Prendre une borne constante pour un encadrement

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« 0≤y2x2+y2≤10\le\frac{y^{2}}{x^{2}+y^{2}}\le 1, donc par encadrement la limite en (0,0)(0,0) existe. »

Ce qu'il faut écrire

« Les bornes 00 et 11 ne tendent pas vers la même valeur : l'encadrement ne conclut pas. L'axe des xx donne 00, l'axe des yy donne 11 : pas de limite. »

Pourquoi : Le théorème d'encadrement demande deux bornes qui tendent vers la MÊME limite. Une fonction bornée peut osciller sans jamais se fixer.

4. Prendre une forme zéro sur zéro pour une absence de limite

2 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« En (2,1)(2,1), x2−4y2x−2y\frac{x^{2}-4y^{2}}{x-2y} donne 00\frac{0}{0} : la limite n'existe pas. »

Ce qu'il faut écrire

« Sur le domaine x≠2yx\neq 2y, x2−4y2x−2y=x+2y\frac{x^{2}-4y^{2}}{x-2y}=x+2y, polynôme continu ; la limite en (2,1)(2,1) vaut 44. »

Pourquoi : Une limite ne regarde jamais le point lui-même : la simplification n'est valable que sur le domaine, et c'est exactement là que la limite regarde.

5. Prendre la continuité par rapport à chaque variable pour la continuité

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« f(x,y)=5xyx2+4y2f(x,y)=\frac{5xy}{x^{2}+4y^{2}}, f(0,0)=0f(0,0)=0 : f(x,0)=0f(x,0)=0 et f(0,y)=0f(0,y)=0 sont continues, donc ff est continue en (0,0)(0,0). »

Ce qu'il faut écrire

« Le long de y=xy=x, f(x,x)=5x25x2=1→1≠f(0,0)f(x,x)=\frac{5x^{2}}{5x^{2}}=1\to 1\neq f(0,0) : ff n'est pas continue en (0,0)(0,0). »

Pourquoi : Les deux fonctions partielles ne testent que deux chemins, les deux axes. La continuité demande la limite selon tous les chemins.

6. Oublier l'hypothèse du théorème de composition

1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« ln⁡(1−x2−y2)\ln\left(1-x^{2}-y^{2}\right) est continue sur R2\mathbb{R}^{2} comme composée de fonctions continues. »

Ce qu'il faut écrire

« ln⁡\ln est continue sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ ; la composée est continue là où 1−x2−y2>01-x^{2}-y^{2}>0, c'est-à-dire sur le disque ouvert x2+y2<1x^{2}+y^{2}<1. »

Pourquoi : La fonction intérieure doit prendre ses valeurs là où l'extérieure est continue. Une inégalité stricte donne une frontière exclue.

7. Calculer la limite et oublier de la comparer à la valeur

1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« sin⁡(x2+y2)x2+y2→1\frac{\sin(x^{2}+y^{2})}{x^{2}+y^{2}}\to 1, donc la fonction qui vaut 00 en l'origine est continue. »

Ce qu'il faut écrire

« La limite vaut 11 mais f(0,0)=0f(0,0)=0 : ff n'est pas continue en (0,0)(0,0). Elle le deviendrait en posant f(0,0)=1f(0,0)=1. »

Pourquoi : La continuité est une ÉGALITÉ entre la limite et la valeur. Une limite qui existe ne suffit pas.

8. Appeler la règle de L'Hospital sur deux variables

1 à 2 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Pour (x2+y2)ln⁡(x2+y2)\left(x^{2}+y^{2}\right)\ln\left(x^{2}+y^{2}\right), j'applique L'Hospital en xx puis en yy. »

Ce qu'il faut écrire

« Posons u=x2+y2→0+u=x^{2}+y^{2}\to 0^{+} ; à une variable, uln⁡u=ln⁡u1/uu\ln u=\frac{\ln u}{1/u} et L'Hospital donne −u→0-u\to 0. La limite vaut 00. »

Pourquoi : Il n'existe pas de règle de L'Hospital à plusieurs variables. On réduit d'abord à une variable, ce qui n'est possible que si l'expression ne dépend que de la distance.

Quelle méthode choisir

Quelle méthode selon la forme de la fonction

On regarde la fonction au point visé, AVANT de calculer quoi que ce soit.

  • Si le dénominateur ne s'annule pas au point → la fonction y est continue : remplacer, en citant le théorème

    Exemple : lim⁡(x,y)→(1,1)x+3yx2+y2=42=2\lim\limits_{(x,y)\to(1,1)}\frac{x+3y}{x^{2}+y^{2}}=\frac{4}{2}=2

  • Si forme 00\frac{0}{0} avec un facteur commun → factoriser, simplifier sur le domaine, remplacer

    Exemple : x2−4y2x−2y=x+2y→4\frac{x^{2}-4y^{2}}{x-2y}=x+2y\to 4 en (2,1)(2,1)

  • Si expression qui ne dépend que de x2+y2x^{2}+y^{2} → poser u=x2+y2u=x^{2}+y^{2} et calculer une limite à UNE variable

    Exemple : sin⁡(x2+y2)x2+y2→1\frac{\sin(x^{2}+y^{2})}{x^{2}+y^{2}}\to 1

  • Si même degré en haut et en bas, dénominateur nul seulement en l'origine → la fraction est constante sur chaque droite : deux droites, pas de limite (sauf si elle est constante)

    Exemple : x2−y2x2+y2\frac{x^{2}-y^{2}}{x^{2}+y^{2}} : 11 sur l'axe des xx, −1-1 sur l'axe des yy

  • Si degré du haut plus grand, dénominateur nul seulement en l'origine → majorer avec ∣x∣≤r|x|\le r, ∣y∣≤r|y|\le r, 2∣xy∣≤r22|xy|\le r^{2} : limite 00

    Exemple : ∣xy2x2+y2∣≤∣x∣→0\left|\frac{xy^{2}}{x^{2}+y^{2}}\right|\le|x|\to 0

  • Si dénominateur qui mélange des puissances, comme x2+y4x^{2}+y^{4} → chemin qui égalise les ordres : ici x = k y²

    Exemple : xy2x2+y4=12\frac{xy^{2}}{x^{2}+y^{4}}=\frac{1}{2} sur x=y2x=y^{2}

  • Si dénominateur nul sur toute une courbe qui passe par le point → chemin qui longe cette courbe au plus près

    Exemple : x2y=2\frac{x^{2}}{y}=2 sur y=x22y=\frac{x^{2}}{2}, qui longe l'axe exclu

Le décompte des degrés guide, il ne prouve pas : la conclusion s'écrit toujours avec deux chemins explicites ou avec une majoration explicite.

Quel geste selon le verbe de l'énoncé

On lit la question, pas la fonction.

  • Si « montrer que la limite n'existe pas » → deux chemins nommés, deux limites calculées, la phrase de conclusion

  • Si « calculer la limite » ou « montrer qu'elle vaut L » → une majoration de la distance à L par une quantité qui tend vers 0

  • Si « f est-elle continue en (a, b) ? » → la limite existe ET égale f(a, b) : deux vérifications

  • Si « peut-on prolonger f par continuité ? » → la limite existe et est finie ; la valeur du prolongement est cette limite

  • Si « où f est-elle continue ? » → le domaine des formules, frontière incluse ou non, puis les points de raccord

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Prouver qu'une limite n'existe pas

Quand l'utiliser : La fonction prend des valeurs différentes selon la direction d'approche.

  1. 1 Nommer le premier chemin, avec sa paramétrisation : « le long de l'axe des xx, y=0y=0 ».
  2. 2 Calculer la limite le long de ce chemin, en vérifiant que le chemin reste dans le domaine.
  3. 3 Nommer un second chemin et calculer sa limite de la même façon.
  4. 4 Constater que les deux limites sont différentes, et conclure.

Phrase de conclusion

« Le long de C1C_{1}, f→L1f\to L_{1} ; le long de C2C_{2}, f→L2f\to L_{2}, avec L1≠L2L_{1}\neq L_{2}. Deux chemins menant à deux limites différentes, la limite de ff en (a,b)(a,b) n'existe pas. »

Le piège : Un chemin qui sort du domaine, comme la droite y = 0 pour x²/y, ne compte pas : vérifier que le dénominateur ne s'annule pas le long du chemin.

Barème : Un chemin juste 1 point, le second 1 point, la conclusion rédigée 1 point.

Prouver qu'une limite existe par encadrement

Quand l'utiliser : On a une valeur candidate L, souvent donnée par quelques chemins concordants.

  1. 1 Écrire ∣f(x,y)−L∣|f(x,y)-L| et le majorer par une quantité g(x,y)g(x,y), en citant l'inégalité utilisée (∣x∣≤r|x|\le r, 2∣xy∣≤r22|xy|\le r^{2}, ∣sin⁡u∣≤∣u∣|\sin u|\le|u|).
  2. 2 Vérifier que gg ne dépend que de la distance au point, ou d'une coordonnée qui tend vers 00, jamais de l'angle seul.
  3. 3 Justifier que g(x,y)→0g(x,y)\to 0.
  4. 4 Conclure par le théorème d'encadrement.

Phrase de conclusion

« Pour (x,y)≠(a,b)(x,y)\neq(a,b), ∣f(x,y)−L∣≤g(x,y)|f(x,y)-L|\le g(x,y), et g(x,y)→0g(x,y)\to 0 quand (x,y)→(a,b)(x,y)\to(a,b). Par le théorème d'encadrement, lim⁡(x,y)→(a,b)f(x,y)=L\lim\limits_{(x,y)\to(a,b)}f(x,y)=L. »

Le piège : La deuxième étape : en polaires, une borne qui contient encore 1 / sin θ ne prouve rien.

Barème : Majoration 2 points, limite de la borne 1 point, conclusion 1 point.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

L'exercice type décortiqué

Continuité de x2sin⁡yx2+y2\frac{x^{2}\sin y}{x^{2}+y^{2}} prolongée par 00

Soit f(x,y)=x2sin⁡yx2+y2f(x,y)=\dfrac{x^{2}\sin y}{x^{2}+y^{2}} si (x,y)≠(0,0)(x,y)\neq(0,0), et f(0,0)=0f(0,0)=0. La fonction ff est-elle continue sur R2\mathbb{R}^{2} ?

Étape 1

Hors de l'origine, ff est le quotient de x2sin⁡yx^{2}\sin y, produit de fonctions continues, par x2+y2x^{2}+y^{2}, qui ne s'annule pas : ff est continue sur R2∖{(0,0)}\mathbb{R}^{2}\setminus\{(0,0)\}.

Pourquoi

On règle d'un coup tous les points ordinaires par les théorèmes généraux ; la seule vraie question est le point de raccord.

Étape 2

Chemins de repérage : sur les axes f=0f=0 ; sur y=xy=x, f=sin⁡x2→0f=\frac{\sin x}{2}\to 0. Valeur candidate : 00.

Pourquoi

Les chemins donnent une CANDIDATE, pas une preuve. S'ils avaient divergé, on aurait conclu tout de suite à la discontinuité.

Étape 3

Majoration : ∣sin⁡y∣≤∣y∣|\sin y|\le|y| et 0≤x2x2+y2≤10\le\frac{x^{2}}{x^{2}+y^{2}}\le 1, donc ∣f(x,y)−0∣≤∣y∣|f(x,y)-0|\le|y|.

Pourquoi

Deux inégalités de la boîte à outils, citées. La borne ∣y∣|y| ne dépend d'aucun chemin : elle vaut pour tous les points à la fois.

Étape 4

∣y∣→0|y|\to 0 quand (x,y)→(0,0)(x,y)\to(0,0) ; par encadrement, lim⁡(x,y)→(0,0)f(x,y)=0\lim\limits_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y)=0.

Pourquoi

C'est l'étape qui rapporte la moitié des points : le nom du théorème et la limite de la borne.

Étape 5

La limite vaut 0=f(0,0)0=f(0,0) : ff est continue en (0,0)(0,0).

Pourquoi

La continuité est une égalité entre limite et valeur ; on l'écrit, on ne la suppose pas.

Étape 6

Vérification : f(0,01 ;0,01)=sin⁡0,012≈0,005f(0{,}01\,;0{,}01)=\frac{\sin 0{,}01}{2}\approx 0{,}005, bien inférieur à la borne ∣y∣=0,01|y|=0{,}01.

Pourquoi

Un point numérique contrôle le sens de l'inégalité ; il ne remplace pas la preuve.

Conclusion rédigée

« ff est continue sur R2∖{(0,0)}\mathbb{R}^{2}\setminus\{(0,0)\} par les théorèmes généraux, et en (0,0)(0,0) car ∣f(x,y)∣≤∣y∣→0=f(0,0)|f(x,y)|\le|y|\to 0=f(0,0). Donc ff est continue sur R2\mathbb{R}^{2}. »

L'erreur classique sur cet exercice : S'arrêter à l'étape 2 et conclure « la limite vaut 00 » parce que trois chemins ont donné 00 : c'est la copie qui perd toute la question.

À savoir par cœur

  • • Deux chemins, deux limites différentes : la limite N'EXISTE PAS.
  • • Tous les chemins essayés d'accord : RIEN n'est prouvé.
  • • Prouver : ∣f−L∣≤g|f-L|\le g avec g→0g\to 0, une borne qui ne dépend que de la DISTANCE au point.
  • • Outils : ∣x∣≤r|x|\le r, ∣y∣≤r|y|\le r, 2∣xy∣≤x2+y22|xy|\le x^{2}+y^{2}, ∣sin⁡u∣≤∣u∣|\sin u|\le|u|.
  • • Polaires : la borne finale ne contient PLUS θ\theta.
  • • Continue en (a,b)(a,b) : la limite existe ET égale f(a,b)f(a,b).
  • • Prolonger par continuité : poser f(a,b)f(a,b) égal à la limite finie, seule valeur possible.

Questions fréquentes

Comment montrer qu'une limite à deux variables n'existe pas ?

On choisit deux chemins qui mènent au point, par exemple l'axe des x et la droite y = x, ou une parabole, et on calcule la limite de la fonction le long de chacun. Si les deux limites sont différentes, la limite n'existe pas. Il faut nommer les deux chemins, vérifier qu'ils restent dans le domaine, et écrire la phrase de conclusion.

Si la limite vaut 0 le long de toutes les droites, la limite existe-t-elle ?

Non, pas forcément. Les droites ne sont qu'une famille de chemins. La fonction x fois y au carré sur x au carré plus y puissance 4 tend vers 0 sur toute droite passant par l'origine, mais vaut un demi sur la parabole x égale y au carré. Seule une majoration valable pour tous les points proches prouve qu'une limite existe.

Comment utiliser les coordonnées polaires pour une limite en (0,0) ?

On remplace x par r cos thêta et y par r sin thêta, puis on majore la distance à la limite candidate par une quantité qui ne dépend que de r et tend vers 0. Si la majoration contient encore l'angle, par exemple un sinus au dénominateur, elle ne prouve rien : il faut vérifier que le facteur d'angle reste borné pour tous les angles.

Quelle est la différence entre limite et continuité à plusieurs variables ?

La limite décrit ce que fait la fonction près du point, sans jamais regarder le point lui-même. La continuité demande en plus que la fonction soit définie au point et que sa valeur soit égale à la limite. Une fonction peut avoir une limite et ne pas être continue, si sa valeur au point est différente.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Limite et continuité à plusieurs variables

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

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Les chapitres qui le réclament en amont, plus tard dans l'année ou dans les années suivantes.

© Ahmed Squalli Houssaini. Fiche publiée sur www.letuteurscientifique.ca/fiches/mth1101-limite-continuite. Libre pour l'usage personnel et en classe ; sa republication ailleurs demande une autorisation écrite (mentions légales).

Voir aussi

Les limites à plusieurs variables bloquent en MTH1101 ?

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