Théorème des valeurs intermédiaires

Illustration du théorème des valeurs intermédiaires : si $f$ est une fonction continue sur l'intervalle $[a;b]$, alors elle prend toutes les valeurs comprises entre $f(a)$ et $f(b)$ au moins une fois. Ici la valeur $s$ est prise trois fois.

En mathématiques, le théorème des valeurs intermédiaires (abrégé en TVI), parfois appelé théorème de Bolzano, est un résultat important en analyse et concerne des fonctions continues sur un intervalle. Il indique que si une fonction continue sur un intervalle prend deux valeurs $m$ et $n$, alors elle prend toutes les valeurs intermédiaires entre $m$ et $n$.

Ce théorème donne dans certains cas l'existence de solutions d'équations et est à la base de techniques de résolutions approchées comme la méthode de dichotomie.

Approche intuitive

Profil de l'étape Pau-Hautacam du Tour de France 2008.

La 10^e étape du Tour de France 2008 était une course cycliste de 156 km de long partant de Pau (altitude : 200 m) et arrivant à Hautacam (1 520 m).

Le profil de l'étape est une fonction définie sur l'intervalle $[0;156]$ et à valeurs réelles. À tout nombre $x$ de $[0;156]$, elle associe l'altitude du point situé à $x$ kilomètres du départ. Puisque les altitudes s'échelonnent de 200 à 1 520 m, il paraît évident que les coureurs ayant terminé l'étape ont dû passer au moins une fois par toutes les altitudes intermédiaires, c'est-à-dire les altitudes entre 200 et 1 520 m. Par exemple, le coureur passera au moins une fois par l'altitude 1 000 m. Cependant, cette constatation s'appuie sur deux hypothèses :

• le parcours est un intervalle, ce qui suppose que l'espace est un « continuum » – les mathématiciens parlent d'espace connexe – c'est-à-dire qu'il n'y a pas de « trou » entre 0 et 156.
• la fonction altitude est continue, ce qui signifie qu'une variation infinitésimale du kilométrage entraîne une variation infinitésimale de l'altitude. En d'autres termes, un coureur ne peut pas se téléporter instantanément d'une altitude à une autre.

Remarquons que le raisonnement n'est plus valable si le profil n'est plus défini sur un intervalle, par exemple si l'on ne s'intéresse qu'aux points de contrôle marqués sur le graphique ci-contre : il se peut qu'aucun de ces points, si nombreux soient-ils, ne se trouve à 1 000 m d'altitude.

Le théorème des valeurs intermédiaires formalise ce raisonnement empirique.

Le théorème des valeurs intermédiaires

Définitions préliminaires

Comme vu dans l’approche intuitive, le théorème repose sur deux notions : la connexité et la continuité.

Dans $\mathbb {R}$, l’ensemble des nombres réels, les ensembles connexes correspondent aux intervalles. Un intervalle est l’ensemble des points contenus entre deux bornes. Par exemple l’intervalle $[a,b]$ est l’ensemble des $x$ tel que $a\leq x\leq b$. En fonction de si les bornes sont incluses dans l’intervalle, on distingue les intervalles fermés $[a,b]$, ouvert $]a,b[$ et semi-ouvert $[a,b[$ ou $]a,b]$.

Une fonction $f$ est continue si des variations infinitésimales de la variable $x$, correspondent des variations infinitésimales de la valeur $f(x)$. Autrement dit il n’y a pas de « sauts » dans le graphe de la fonction.

Énoncé

Illustration de l'énoncé pour $f:x\mapsto 6x^{3}+36x^{2}+63x+22$

Théorème des valeurs intermédiaires — Pour toute application continue $f:[a,b]\to \mathbb {R}$ et tout réel $u$ compris entre $f(a)$ et $f(b)$, il existe au moins un réel $c$ compris entre $a$ et $b$ tel que $f(c)=u$.

Ce théorème se généralise sur un intervalle ouvert $]a,b[$. Si $f$ admet une limite en $a$ et $b$ alors pour tout réel $u$ strictement entre ces limites, il existe au moins un réel $c\in \,]a,b[$ tel que $f(c)=u$.

Plus généralement, les connexes de $\mathbb {R}$ étant exactement les intervalles, $f(I)$ est un intervalle et donc :

Pour toute fonction $f$ définie et continue sur un intervalle $I$ de $\mathbb {R}$ et à valeurs réelles, l'image $f(I)$ est un intervalle de $\mathbb {R}$.

Attention : Le théorème n'affirme pas que l'image de l'intervalle $[a,b]$ par $f$ est l'intervalle $[f(a),f(b)]$. C'est faux, comme le montre le contre-exemple de la fonction $f=\sin$ avec $a=0$ et $b=\pi$; dans ce cas, $f([a,b])=[0,1]$mais $[f(0),f(\pi )]=\{0\}$.

Un cas particulier est le théorème de Bolzano.

Théorème de Bolzano — Si $f(a)f(b)\leq 0$, il existe au moins un réel $c\in [a,b]$ tel que $f(c)=0$.

En effet « $f(a)f(b)\leq 0$ » signifie que $0$ est compris entre $f(a)$ et $f(b)$.

Réciproque

Il n’y a pas de réciproque au théorème contrairement à ce qu’on a longtemps pensé (voir la section Histoire). Un contre-exemple est donné par la fonction $f:\mathbb {R} \to \mathbb {R}$ définie par :

$f(x)={\begin{cases}\sin(1/x)&{\text{si }}x\neq 0\\0&{\text{sinon}}\end{cases}}$

Cette fonction n'est pas continue en $0$ mais elle satisfait bien la propriété de la valeur intermédiaire pour chaque couple de réels. Il existe même des fonctions discontinues en tout point et vérifiant quand même la propriété de la valeur intermédiaire, comme la fonction de Conway en base 13.

Cependant il y a équivalence entre :

1. $f$ est continue sur $[a,b]$
2. Pour tout sous-intervalle $[c,d]$ inclus dans $[a,b]$ et tout y élément de $[f(c),f(d)]$, l'ensemble $\{x\in [c,d],f(x)=y\}$ est une partie non vide et fermée de $[a,b]$.

En particulier si elle ne prend chaque valeur qu'un nombre fini de fois, alors il y a équivalence continue avec la continuité.

Démonstrations

Le théorème des valeurs intermédiaires fait partie des théorèmes dits d'existence. Cependant, il n'existe pas de démonstration générale constructive de cette existence.

Nous donnons ci-dessous deux démonstrations. La première est courte mais s'appuie sur une théorie plus élaborée : la topologie. La seconde est basée sur la méthode de dichotomie et peut, dans une certaine mesure, être mise en œuvre numériquement.

Le théorème repose sur la complétude de $\mathbb {R}$. La démonstration originale de Bolzano et celle topologique utilisent la propriété de la borne supérieure de $\mathbb {R}$, et celle par dichotomie utilise le théorème des segments emboîtés.

Dans $\mathbb {Q}$, l'ensemble des nombres rationnels, le théorème est faux. Un contre-exemple, la fonction $f:x\mapsto x^{2}-2$ de $\mathbb {Q}$ dans $\mathbb {Q}$ est continue sur $[0,2]$ et vérifie $f(0)=-2$ et $f(2)=2$. Cependant, il n'y a pas de nombre rationnel $x$ tel que $f(x)=0$.

Démonstration topologique

La topologie fournit une démonstration en quelques lignes ces deux propriétés :

Les connexes de ℝ sont les intervalles.

L'image d'un connexe par une fonction continue est un connexe.

L'ensemble de départ est donc un connexe et son image par $f$ est donc un intervalle, ce qui démontre le théorème.

Mais derrière cette apparente simplicité se cachent des résultats qu'il faut avoir démontrés au préalable, comme le fait que tout intervalle de ℝ est connexe, démonstration du même ordre de difficulté que celle du théorème des valeurs intermédiaires.

Démonstration par dichotomie

Illustration de la démonstration par dichotomie.

Le principe consiste à couper l'intervalle de départ en deux et à conserver l'intervalle où l'on sait que se trouve une solution. On recommence ensuite en coupant en deux l'intervalle conservé, etc. On obtient ainsi des intervalles emboîtés de plus en plus petits dans lesquels on est sûr de trouver une solution. On finit alors par trouver un encadrement « assez fin » de la solution.

Applications

Le théorème des valeurs intermédiaires est souvent utilisé pour montrer l'existence de solutions d’une équation, notamment l’existence de points fixes d'une fonction. Il permet aussi de montrer que d’autres théorèmes d'analyse, comme le théorème de la bijection ou que l'image d’un segment est un segment.

Méthode de dichotomie

La démonstration par dichotomie se traduit facilement sous forme algorithmique. À chaque itération, on divise l’intervalle $[a_{n},b_{n}]$ en 2, puis on s’arrête quand sa longueur $(b-a)/2^{n}$ est inférieure à la précision demandée.

Par ailleurs, la méthode de dichotomie ne permet de trouver qu'une seule valeur. Le fait d'éliminer tout un intervalle à chaque étape risque d'éliminer d'autres solutions. De plus, sa convergence n'est que linéaire^{[réf. nécessaire]} : la précision n'augmente que d'un facteur 2 à chaque itération. D'autres méthodes comme la méthode de Newton ont une meilleurs efficacité.

L'avantage de la méthode est sa simplicité et qu'elle nécessite peu d'hypothèse : il suffit que $f$ soit continu et que $f(a)$ et $f(b)$ soient de signe opposé.

Théorème de la bijection

Un corollaire important est le théorème de la bijection : en supposons la fonction strictement monotone en plus de continue, $f$ induit une bijection de $I$ dans $f(I)$. Cette bijection est même un homéomorphisme, c'est-à-dire que la bijection réciproque est également continue.

Ce théorème nous assure que des fonctions comme ${\sqrt {\cdot }}$ ou $\arcsin$ sont bien définies.

Existence de point fixe

Si $f,g$ sont continue sur un intervalle $[a,b]$ de $\mathbb {R}$ où si $f(a)-g(a)$ et $f(b)-g(b)$ sont de signes contraires, alors il existe au moins un $c$ tel que $f(c)=g(c)$. En particulier en considérant $x\mapsto f(x)-x$, on peut montrer que $f$ a au moins un point fixe.

Racine des polynôme de degré impair

Si $P$ est un polynôme de degré impair à coefficients réels, alors les limites de $P$ en $+\infty$ et $-\infty$ sont infinies et opposées (car $P$ est de degré impair) l’une de l’autre. Donc $0$ est une valeur intermédiaire et comme les fonctions polynomiales sont continues, il existe $c$ tel que $P(c)=0$ par le théorème des valeurs intermédiaires. Ainsi tout polynôme réel de degré impair a au moins une racine réelle.

Histoire

Énoncé et démonstration du théorème des valeurs intermédiaires par Cauchy (1821).

Fin de la démonstration par Cauchy (1821).

Bryson d'Héraclée (en) proposa dès le V^e siècle av. J.-C., un théorème proche de celui des valeurs intermédiaire pour essayer de montrer la quadrature du cercle.

Au XVII^e siècle plusieurs mathématiciens essayent de justifier le théorème. Cependant la notion de fonction venait à peine de naître et celle de continuité n'était encore qu'intuitive.

En 1817, Bolzano publie un article où il essaye de démontrer le théorème sans utiliser des « évidences géométriques ». Pour lui :

« II n'y a absolument rien à objecter ni contre la justesse ni contre l'évidence de ce théorème géométrique. Mais il est tout aussi manifeste qu'il y a là une faute intolérable contre la bonne méthode, faute qui consiste à vouloir déduire les vérités mathématiques pures (ou générales) - c'est-à-dire de l'arithmétique, de l'algèbre ou de l'analyse - des considérations qui appartiennent à une partie appliquée (ou spéciale) seule, à savoir la géométrie. »

— Bernard Bolzano

Sa démonstration le poussera à définir la notion de fonction continue et démontrer que $\mathbb {R}$ a la propriété de la borne supérieure. Cependant sa définition reste floue et correspond plus à celle de continuité uniforme. De plus, une démonstration rigoureuse de la propriété de la borne supérieur dans $\mathbb {R}$ n'est possible qu'en définissant rigoureusement l'ensemble des nombres réels, qui ne sera faites qu’une cinquantaine d’année plus tard.

Dans son Cours d'Analyse de l'École royale polytechnique publié en 1821, Cauchy donne un énoncé du théorème des valeurs intermédiaires comme le théorème IV du chapitre II, puis il en donne une démonstration. Mais contrairement à Bolzano, Cauchy s'appuie sur des propriétés géométriques considérées comme évidentes qu'il ne prouve pas.

On a longtemps pensé que la réciproque était vraie, et que la propriété des valeurs intermédiaires caractérisait les fonctions continues. Ce n’est qu’en 1875 que Darboux en donna un contre-exemple dans son article Mémoire sur les fonctions discontinues.

Généralisations

Théorème de Darboux

Une fonction peut vérifier la conclusion du théorème des valeurs intermédiaires sans être continue (exemple : la fonction x ↦ sin(1/x), complétée par $0\mapsto a$ où $a$ est un réel choisi entre –1 et 1).

En 1875, Gaston Darboux a montré que cette conclusion était vérifiée par toutes les fonctions dérivées, dont les fonctions continues font partie, d'après le premier théorème fondamental de l'analyse. Le théorème des valeurs intermédiaires est donc un cas particulier du théorème de Darboux.

Théorème de Poincaré-Miranda

Le théorème suivant, appelé théorème de Poincaré-Miranda, est une généralisation du théorème des valeurs intermédiaires, ou plutôt de sa formulation selon Bolzano.

Soit $f=(f_{1},\dots ,f_{n}):[-1,1]^{n}\to \mathbb {R} ^{n}$ une application continue telle que sur chaque face $x_{i}=1,f_{i}\leq 0$ et sur chaque face $x_{i}=-1,f_{i}\geq 0$. Alors il existe un point où $f$ s'annule.

Henri Poincaré l'a annoncé en 1883 puis démontré en 1886, mais ce n'est qu'en 1940 que Carlo Miranda (it) a remarqué qu'il équivaut au théorème du point fixe de Brouwer.

En prenant $n=1$ dans ce théorème, on obtient bien le théorème de Bolzano.

Sur un espace topologique quelconque

Soit E un espace topologique connexe et $f:E\to \mathbb {R}$ un application continue. Le « théorème des valeurs intermédiaires généralisé » dit que l'image $f(E)$ est un intervalle.

On retrouve l'énoncé sur $\mathbb {R}$ à partir de l'énoncé général à condition d'avoir démontré au préalable que tout intervalle réel est connexe (voir supra).

Voir aussi

Article connexe

Lemme de Cousin

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

Historique

• Bernard Bolzano (trad. J. Sebestik), « Démonstration purement analytique du théorème : entre deux valeurs quelconques qui donnent deux résultats de signes opposés se trouve au moins une racine réelle de l'équation. » [« Rein analytischer Beweis des Lehrsatzes, dass zwischen je zwei Werthen, die ein entgegengesetztes Resultat gewähren, wenigstens eine reelle Wurzel der Gleichung liege »], Revue d'histoire des sciences, vol. 17, n^o 2,‎ 1964, p. 136–164 (DOI 10.3406/rhs.1964.2325, lire en ligne, consulté le 26 mai 2024)
  Traduction d'un article de Bolzano publié en 1817 à Prague. Dans ce texte, Bolzano réfute les démonstrations antérieures qui s'appuient sur des principes d'évidence ou des considérations géométriques. Il énonce le théorème p. 9, puis le démontre en utilisant la propriété de la borne supérieure p. 21-22.
• (en) S. B. Russ, « A translation of Bolzano's paper on the intermediate value theorem », Historia Mathematica, vol. 7, n^o 2,‎ 1980, p. 156-185 (DOI 10.1016/0315-0860(80)90036-1)
• Augustin Louis Cauchy, Cours d'Analyse de l'École royale polytechnique, 1821 (lire en ligne)
  Dans cette démonstration, Cauchy se contente de l'évidence géométrique p. 43-44. Il ajoute cependant en note p. 460 un procédé numérique de résolution d'équation, assimilable à la démonstration par dichotomie du théorème des valeurs intermédiaires.
• (it) Giuseppe Peano, Calcolo differenziale e principii di calcolo integrale, 1884 (lire en ligne )
  Ce dernier donne la démonstration par dichotomie, après avoir défini les réels comme coupures de Dedekind.
• Gaston Darboux, « Mémoire sur les fonctions discontinues », Annales scientifiques de l'École normale supérieure, vol. 4,‎ 1875, p. 109 (ISSN 0012-9593 et 1873-2151, DOI 10.24033/asens.122, lire en ligne [PDF], consulté le 26 mai 2024)
  Dans cet article Darboux énonce un contre-exemple à la réciproque du théorème des valeurs intermédiaires. Il montre que les fonctions dérivées (dont les fonctions continues font partie) vérifient aussi la propriété des valeurs intermédiaires. Ce résultat est maintenant connu comme le théorème de Darboux.
• Bertrand Hauchecorne et Jean Dhombres, Biographie des grands théorèmes, Ellipses, 21 novembre 2023, 243 p. (ISBN 978-2-340-08474-2), chap. 16 (« Théorèmes de la valeur intermédiaire, de Bolzano-Weierstrass et de Darboux »). 
• Pierre Dugac, Bernard Bru et Roger Laurent, Histoire de l'analyse: autour de la notion de limite et de ses voisinages, Vuibert, 2003, 419 p. (ISBN 978-2-7117-5311-6). 

Mathématiques

• (en) Michael Spivak, Calculus, Addison Wesley World Student Series, 1967, 588 p. (ISBN 978-0-8053-9023-0, lire en ligne )
• Jean-Pierre Ramis (dir.), André Warusfel (dir.), Xavier Buff, Josselin Garnier, Emmanuel Halberstadt, François Moulin, Monique Ramis et Jacques Sauloy (préf. Alain Connes), Mathématiques Tout-en-un pour la Licence 1, Paris, Dunod, coll. « Sciences Sup », 2022, 4^e éd. (1^re éd. 2006), 1040 p. (ISBN 978-2-10-084670-2, lire en ligne ), chap. 1.4 (« Théorème des valeurs intermédiaires et image continue d’un segment »)

Liens externes

• « Théorème des valeurs intermédiaires - Dichotomie », sur Bibm@th (consulté le 30 mai 2024).