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Parité et symétrie

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Pourquoi cette leçon est importante

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Limites

Analyse — Limites

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Fonctions activation

Maths IA/ML — Fonctions activation

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Pourquoi apprendre ça ?

Certaines fonctions ont une beauté particulière : leur courbe est parfaitement symétrique. Les fonctions paires ressemblent à un papillon (axe de symétrie vertical), les fonctions impaires tournent autour de l'origine. Cette régularité n'est pas juste esthétique — elle permet de ne faire les calculs que sur la moitié du domaine et de déduire le reste par symétrie.

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Analogie

Un visage parfaitement symétrique est "pair" : le côté gauche est le miroir exact du côté droit. Une roue de vélo est "impaire" : elle a une symétrie de rotation à 180° autour de son centre, pas de symétrie miroir. Les fonctions paires et impaires obéissent aux mêmes logiques de symétrie.

Fonction paire — symétrie axiale

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Théorie

Une fonction ff est dite paire si et seulement si, pour tout xx dans son domaine :

f(x)=f(x)\boxed{f(-x) = f(x)}

Interprétation géométrique : la courbe de ff est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées (x=0x = 0). Si le point (a,b)(a, b) est sur la courbe, alors (a,b)(-a, b) l'est aussi.

Condition préalable : le domaine doit être symétrique par rapport à 0 (si xDfx \in D_f, alors xDf-x \in D_f).

Exemples de fonctions paires : x2x^2, x4x^4, cosx\cos x, x|x| — toute expression ne contenant que des puissances paires de xx.

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Vérifier qu'une fonction est paire

Montrer que f(x)=3x42x2+5f(x) = 3x^4 - 2x^2 + 5 est paire.

Calcul de f(x)f(-x) : f(x)=3(x)42(x)2+5=3x42x2+5=f(x)f(-x) = 3(-x)^4 - 2(-x)^2 + 5 = 3x^4 - 2x^2 + 5 = f(x)

On obtient bien f(x)=f(x)f(-x) = f(x) pour tout xRx \in \mathbb{R}, donc ff est paire.

Astuce rapide : ff ne contient que des puissances paires de xx (degrés 4, 2 et 0). C'est un indicateur direct.

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Checkpoint

Laquelle de ces fonctions est paire ?

Fonction impaire — symétrie centrale

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Théorie

Une fonction ff est dite impaire si et seulement si, pour tout xx dans son domaine :

f(x)=f(x)\boxed{f(-x) = -f(x)}

Interprétation géométrique : la courbe est symétrique par rapport à l'origine O(0,0)O(0,0). Si (a,b)(a, b) est sur la courbe, alors (a,b)(-a, -b) l'est aussi. Une rotation de 180° autour de OO laisse la courbe invariante.

Propriété remarquable : si ff est impaire et que 0Df0 \in D_f, alors nécessairement f(0)=0f(0) = 0.

Preuve : f(0)=f(0)f(0)=f(0)f(0)=0f(-0) = -f(0) \Rightarrow f(0) = -f(0) \Rightarrow f(0) = 0.

Exemples : xx, x3x^3, sinx\sin x, tanx\tan x — toute expression ne contenant que des puissances impaires de xx.

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Vérifier qu'une fonction est impaire

Montrer que g(x)=2x3xg(x) = 2x^3 - x est impaire.

Calcul de g(x)g(-x) : g(x)=2(x)3(x)=2x3+x=(2x3x)=g(x)g(-x) = 2(-x)^3 - (-x) = -2x^3 + x = -(2x^3 - x) = -g(x)

On obtient g(x)=g(x)g(-x) = -g(x) pour tout xRx \in \mathbb{R}, donc gg est impaire.

Vérification : g(0)=0g(0) = 0 ✓ (cohérent avec la propriété des fonctions impaires).

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Fonction ni paire ni impaire

Étudier la parité de h(x)=x2+xh(x) = x^2 + x.

Calcul de h(x)h(-x) : h(x)=(x)2+(x)=x2xh(-x) = (-x)^2 + (-x) = x^2 - x

  • h(x)=h(x)h(-x) = h(x) ?     x2xx2+x\;\; x^2 - x \neq x^2 + x en général → non paire
  • h(x)=h(x)h(-x) = -h(x) ?     x2x(x2+x)=x2x\;\; x^2 - x \neq -(x^2+x) = -x^2 - xnon impaire

Conclusion : hh est ni paire ni impaire. C'est le cas le plus fréquent en pratique.

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Piège — domaine non symétrique

Si le domaine de ff n'est pas symétrique par rapport à 0 (par exemple Df=[1;+[D_f = [1\,;+\infty[), la parité ne se pose pas : f(x)f(-x) n'est pas défini pour x>0x > 0.

Toujours vérifier la symétrie du domaine avant de conclure à la parité ou l'imparité.

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Checkpoint

Si est impaire et que , quelle est la valeur de ?

Décomposition en partie paire et impaire

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Théorie

Toute fonction ff définie sur un domaine symétrique par rapport à 0 se décompose de manière unique en une somme :

f=fp+fi\boxed{f = f_p + f_i}

où : fp(x)=f(x)+f(x)2(partie paire)fi(x)=f(x)f(x)2(partie impaire)f_p(x) = \frac{f(x) + f(-x)}{2} \quad \text{(partie paire)} \qquad f_i(x) = \frac{f(x) - f(-x)}{2} \quad \text{(partie impaire)}

Vérifications : fp(x)=fp(x)f_p(-x) = f_p(x) ✓ et fi(x)=fi(x)f_i(-x) = -f_i(x) ✓. L'unicité garantit qu'il n'existe qu'une seule telle décomposition.

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Décomposer

On calcule directement les deux parties :

fp(x)=ex+ex2=cosh(x)(cosinus hyperbolique — paire)f_p(x) = \frac{e^x + e^{-x}}{2} = \cosh(x) \quad \text{(cosinus hyperbolique — paire)}

fi(x)=exex2=sinh(x)(sinus hyperbolique — impaire)f_i(x) = \frac{e^x - e^{-x}}{2} = \sinh(x) \quad \text{(sinus hyperbolique — impaire)}

On retrouve ainsi la décomposition classique ex=cosh(x)+sinh(x)e^x = \cosh(x) + \sinh(x), qui est exactement la décomposition paire/impaire de l'exponentielle.

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Checkpoint

Quelle est la partie paire de ?

Applications pratiques de la parité

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Théorie

La parité simplifie considérablement le calcul d'intégrales sur un intervalle symétrique [a,a][-a, a] :

Si f est paire :aaf(x)dx=20af(x)dx\text{Si } f \text{ est paire :} \quad \int_{-a}^{a} f(x)\,dx = 2\int_{0}^{a} f(x)\,dx

Si f est impaire :aaf(x)dx=0\text{Si } f \text{ est impaire :} \quad \int_{-a}^{a} f(x)\,dx = 0

Intuition géométrique : pour une fonction impaire, les aires algébriques sur [a,0][-a, 0] et [0,a][0, a] sont opposées et s'annulent exactement.

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Calculs d'intégrales simplifiés

Cas impaire — résultat immédiat :

x3x^3 est impaire, donc 22x3dx=0\displaystyle\int_{-2}^{2} x^3\,dx = 0 sans aucun calcul.

Cas paire — domaine réduit de moitié :

x2x^2 est paire, donc : 22x2dx=202x2dx=2[x33]02=283=163\int_{-2}^{2} x^2\,dx = 2\int_{0}^{2} x^2\,dx = 2\left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2 = 2 \cdot \frac{8}{3} = \frac{16}{3}

⚠️

Domaine symétrique obligatoire

Ces simplifications ne sont valables que si l'intervalle d'intégration est symétrique par rapport à 0. Sur [0,2][0, 2] ou [1,3][-1, 3], la parité ne permet aucun raccourci de ce type.

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Checkpoint

Quelle est la valeur de ?

Parité des fonctions composées

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Théorie

La composition de fonctions paires et impaires suit des règles simples, analogues aux règles de signes :

| ff | gg | fgf \circ g | |-----|-----|-------------| | paire | paire | paire | | paire | impaire | paire | | impaire | impaire | impaire | | impaire | paire | ni paire ni impaire en général |

Règle mnémotechnique : "impaire ∘ impaire = impaire" (comme (1)×(1)=+1(-1) \times (-1) = +1 mais pour l'imparité).

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Parité de

On identifie la composition : (sinx2)(x)=sin(x2)(\sin \circ\, x^2)(x) = \sin(x^2).

  • g(x)=x2g(x) = x^2 est paire
  • f(x)=sin(x)f(x) = \sin(x) est impaire

D'après le tableau : impaire ∘ paire → paire.

Vérification directe : sin((x)2)=sin(x2)\sin((-x)^2) = \sin(x^2)

À retenir

  • Fonction paire : f(x)=f(x)f(-x) = f(x) — symétrie axiale par rapport à l'axe des ordonnées
  • Fonction impaire : f(x)=f(x)f(-x) = -f(x) — symétrie centrale par rapport à l'origine ; f(0)=0f(0) = 0 obligatoirement
  • Décomposition unique : f=fp+fif = f_p + f_i avec fp(x)=f(x)+f(x)2f_p(x) = \frac{f(x)+f(-x)}{2} et fi(x)=f(x)f(x)2f_i(x) = \frac{f(x)-f(-x)}{2}
  • Intégrale sur [a,a][-a,a] : nulle si ff impaire, doublée sur [0,a][0,a] si ff paire (domaine symétrique obligatoire)
  • Composition : impaire ∘ impaire = impaire ; paire ∘ (paire ou impaire) = paire
  • La plupart des fonctions sont ni paires ni impaires — toujours vérifier la symétrie du domaine d'abord
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