Exercice 09-12
Soit \(f\) une fonction dérivable en \(x_0\in \mathbb{R}\). Calculer, en fonction de \(\alpha,\beta\in \mathbb{R}\), la limite \[ \lim_{h\to 0} \frac{f(x_0+\alpha h)-f(x_0-\beta h)}{h}\,. \]
On a défini ici la notion de dérivée d'une fonction \(f\) en un point \(x_0\), via le nombre \(f'(x_0)\).

Il s'agit donc de voir comment la limite demandée est reliée à \(f'(x_0)\), \(\alpha\) et \(\beta\).

Considérer d'abord les cas 1) \(\beta=0\), 2) \(\alpha=0\).

Rappelons que la dérivabilité de \(f\) en \(x_0\) garantit l'existence de la limite \[ f'(x_0)=\lim_{t\to 0}\frac{f(x_0+t)-f(x_0)}{t}\,. \]
  1. Si \(\alpha\neq 0\) et \(\beta= 0\), la limite devient \[\begin{aligned} \lim_{h\to 0} \frac{f(x_0+\alpha h)-f(x_0)}{h} &= \alpha\lim_{h\to 0} \frac{f(x_0+\alpha h)-f(x_0)}{\alpha h}\\ &= \alpha\lim_{t\to 0} \frac{f(x_0+t)-f(x_0)}{t}\\ &=\alpha f'(x_0) \end{aligned}\] Dans la deuxième égalité, on a posé \(t=\alpha h\).
  2. Si \(\alpha= 0\) et \(\beta\neq 0\), la limite devient \[\begin{aligned} \lim_{h\to 0} \frac{f(x_0)-f(x_0-\beta h)}{h} &= \beta \lim_{h\to 0} \frac{f(x_0-\beta h)-f(x_0)}{-\beta h}\\ &= \beta \lim_{t\to 0} \frac{f(x_0+t)-f(x_0)}{t}\\ &=\beta f'(x_0) \end{aligned}\] Dans la deuxième égalité, on a posé \(t=-\beta h\).
  3. On peut écrire, lorsque \(\alpha\neq 0\) et \(\beta\neq 0\), \[\begin{aligned} \frac{f(x_0+\alpha h)-f(x_0-\beta h)}{h}=\\ \alpha\frac{f(x_0+\alpha h)-f(x_0)}{\alpha h} +&\beta\frac{f(x_0-\beta h)-f(x_0)}{-\beta h} \end{aligned}\] Or comme on vient de voir, \[ \lim_{h\to 0} \frac{f(x_0+\alpha h)-f(x_0)}{\alpha h} = \lim_{h\to 0} \frac{f(x_0-\beta h)-f(x_0)}{-\beta h} =f'(x_0)\,, \] ce qui donne \[ \lim_{h\to 0} \frac{f(x_0+\alpha h)-f(x_0-\beta h)}{h}=(\alpha+\beta)f'(x_0) \]
Donc la limite vaut, pour tous \(\alpha,\beta\in \mathbb{R}\), \[ \lim_{h\to 0} \frac{f(x_0+\alpha h)-f(x_0-\beta h)}{h} =(\alpha+\beta)f'(x_0)\,. \]