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Limites de suites réelles — cours

3ème année · section Mathématiques · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Rappel · 1

Rappel : Valeur absolue et distance

Pour un réel xx, un réel ll et ϵ>0\epsilon > 0, que traduit géométriquement l'inégalité ∣x−l∣<ϵ|x - l| < \epsilon ?

Remarque

L'expression ∣x−l∣|x - l| mesure la distance entre xx et ll. L'inégalité ∣x−l∣<ϵ|x - l| < \epsilon signifie que xx se trouve dans l'intervalle ouvert ]l−ϵ;l+ϵ[]l - \epsilon ; l + \epsilon[.

Point de départ · 2

Observer le comportement à l'infini

Soit la suite (un)n≥1(u_n)_{n \ge 1} définie par un=3+12nu_n = 3 + \frac{12}{n}.

On calcule u12=4u_{12} = 4, u120=3,1u_{120} = 3,1 et u1200=3,01u_{1200} = 3,01. Vers quelle valeur fixe les termes se rapprochent-ils lorsque nn prend des valeurs de plus en plus grandes ?

Remarque

La fraction 12n\frac{12}{n} devient arbitrairement petite quand nn grandit : les termes s'accumulent autour de 33 sans jamais s'en éloigner.

Définition · 3

Définition de la limite finie et convergence

Soit (un)(u_n) une suite numérique définie pour tout entier n≥pn \ge p, et soit ll un nombre réel.

lim⁡n→+∞un=l\lim_{n \to +\infty} u_n = l

Dire que la suite (un)(u_n) converge vers ll signifie que tout intervalle ouvert contenant ll contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang.

∀ϵ>0,  ∃N∈N tel que si n≥N alors ∣un−l∣<ϵ\forall \epsilon > 0, \; \exists N \in \mathbb{N} \text{ tel que si } n \ge N \text{ alors } |u_n - l| < \epsilon

Vocabulaire

  • Suite convergente — Admet une limite finie l∈Rl \in \mathbb{R}
  • Suite divergente — N'admet pas de limite finie (limite infinie ou absence totale de limite)

Exemple travaillé · 4

Soit la suite (un)n≥1(u_n)_{n \ge 1} définie par un=3+12nu_n = 3 + \frac{12}{n}. Détermine un entier NN à partir duquel ∣un−3∣≤10−2|u_n - 3| \le 10^{-2}.

1

On exprime la distance ∣un−3∣|u_n - 3| en remplaçant unu_n par son expression.

∣un−3∣=∣3+12n−3∣=12n|u_n - 3| = \left|3 + \frac{12}{n} - 3\right| = \frac{12}{n}
2

On traduit la condition demandée par une inéquation d'inconnue nn.

12n≤10−2\frac{12}{n} \le 10^{-2}
3

Comme n>0n > 0 et 10−2>010^{-2} > 0, le passage à l'inverse change le sens de l'inégalité.

n12≥102  ⟺  n≥1200\frac{n}{12} \ge 10^2 \iff n \ge 1200
4

Pour tout entier n≥1200n \ge 1200, l'écart ∣un−3∣|u_n - 3| est inférieur ou égal à 10−210^{-2}. L'entier N=1200N = 1200 convient.

Exemple travaillé · 5

Soit la suite (un)n≥1(u_n)_{n \ge 1} définie par un=1+(−1)nnu_n = 1 + \frac{(-1)^n}{n}. Détermine un entier NN tel que pour tout n≥Nn \ge N, ∣un−1∣≤10−3|u_n - 1| \le 10^{-3}.

1

On simplifie l'écart ∣un−1∣|u_n - 1| en appliquant la propriété de la valeur absolue ∣(−1)n∣=1|(-1)^n| = 1.

∣un−1∣=∣1+(−1)nn−1∣=∣(−1)n∣n=1n|u_n - 1| = \left|1 + \frac{(-1)^n}{n} - 1\right| = \frac{|(-1)^n|}{n} = \frac{1}{n}
2

On résout l'inéquation sur les entiers strictement positifs.

1n≤10−3\frac{1}{n} \le 10^{-3}
3

Le passage à l'inverse donne directement la condition sur nn.

n≥103=1000n \ge 10^3 = 1000
4

À partir du rang N=1000N = 1000, tous les termes sont distants de 11 de moins de 10−310^{-3}, ce qui confirme lim⁡n→+∞un=1\lim_{n \to +\infty} u_n = 1.

Piège classique · 6

Soit la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par un=(−1)nu_n = (-1)^n. L'affirmation « Comme la suite (un)(u_n) est bornée par −1-1 et 11, elle est convergente » est-elle vraie ou fausse ?

Attention

Penser qu'une suite bornée converge obligatoirement sous prétexte que ses termes ne partent pas vers l'infini.

À la place : Une suite bornée n'est pas nécessairement convergente. Pour converger, les termes doivent se resserrer autour d'un unique réel ll. La suite un=(−1)nu_n = (-1)^n oscille sans fin entre −1-1 et 11 : elle n'admet aucune limite et est donc divergente.

Vérification · 7

Soit (un)(u_n) une suite réelle. Laquelle de ces conditions caractérise formellement que lim⁡n→+∞un=2\lim_{n \to +\infty} u_n = 2 ?

Remarque

Dire que (un)(u_n) converge vers 22 équivaut à dire que la distance ∣un−2∣|u_n - 2| tend vers 00. Une suite peut converger vers 22 sans être croissante, et un<2u_n < 2 indique seulement une majoration.

Définition · 8

Définition de la limite infinie

Soit (un)(u_n) une suite numérique définie pour tout entier n≥pn \ge p.

lim⁡n→+∞un=+∞\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty

Dire que la suite (un)(u_n) a pour limite +∞+\infty signifie que tout intervalle de la forme ]A;+∞[]A ; +\infty[ contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang.

∀A>0,  ∃N∈N tel que si n≥N alors un>A\forall A > 0, \; \exists N \in \mathbb{N} \text{ tel que si } n \ge N \text{ alors } u_n > A

De même, on dit que (un)(u_n) tend vers −∞-\infty si pour tout réel A<0A < 0, il existe un entier naturel NN tel que si n≥Nn \ge N alors un<Au_n < A.

Remarque

Une suite dont la limite est +∞+\infty ou −∞-\infty ne converge pas : elle est divergente.

Définition · 9

Théorèmes de comparaison pour les limites infinies

Soient (un)(u_n) et (vn)(v_n) deux suites réelles définies à partir d'un rang pp.

Si vn≤un aˋ partir d’un certain rang et lim⁡n→+∞vn=+∞, alors lim⁡n→+∞un=+∞\text{Si } v_n \le u_n \text{ à partir d'un certain rang et } \lim_{n \to +\infty} v_n = +\infty, \text{ alors } \lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty

Réciproquement, une suite majorée par une suite divergeant vers −∞-\infty plonge elle aussi vers −∞-\infty.

Si un≤vn aˋ partir d’un certain rang et lim⁡n→+∞vn=−∞, alors lim⁡n→+∞un=−∞\text{Si } u_n \le v_n \text{ à partir d'un certain rang et } \lim_{n \to +\infty} v_n = -\infty, \text{ alors } \lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty

Remarque

Ces théorèmes reposent sur une seule inégalité unilatérale (minoration vers +∞+\infty ou majoration vers −∞-\infty), sans nécessiter un encadrement bilatéral.

Exemple travaillé · 10

Détermine la limite de la suite (un)n≥0(u_n)_{n \ge 0} définie par un=n+cos⁡(n)u_n = n + \cos(n).

1

On utilise la minoration fondamentale de la fonction cosinus pour tout entier naturel nn.

cos⁡(n)≥−1\cos(n) \ge -1
2

On ajoute nn à chaque membre pour faire apparaître le terme général unu_n.

n+cos⁡(n)≥n−1  ⟺  un≥n−1n + \cos(n) \ge n - 1 \iff u_n \ge n - 1
3

On détermine la limite de la suite minorante vn=n−1v_n = n - 1.

lim⁡n→+∞(n−1)=+∞\lim_{n \to +\infty} (n - 1) = +\infty
4

Comme un≥n−1u_n \ge n - 1 et que le terme minorant tend vers +∞+\infty, le théorème de comparaison donne directement la limite.

lim⁡n→+∞un=+∞\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty

Exemple travaillé · 11

Détermine la limite de la suite (vn)n≥1(v_n)_{n \ge 1} définie par vn=−2n(2+cos⁡(n))v_n = -2n(2 + \cos(n)).

1

On encadre la fonction cosinus pour tout entier n≥1n \ge 1.

−1≤cos⁡(n)≤1-1 \le \cos(n) \le 1
2

On ajoute 22 à chaque membre de l'inégalité.

1≤2+cos⁡(n)≤31 \le 2 + \cos(n) \le 3
3

On multiplie par −2n-2n. Comme −2n<0-2n < 0 pour tout n≥1n \ge 1, le sens des inégalités s'inverse.

−6n≤−2n(2+cos⁡(n))≤−2n  ⟹  vn≤−2n-6n \le -2n(2 + \cos(n)) \le -2n \implies v_n \le -2n
4

On détermine la limite du terme majorant −2n-2n.

lim⁡n→+∞(−2n)=−∞\lim_{n \to +\infty} (-2n) = -\infty
5

D'après le théorème de comparaison par majoration, la suite (vn)(v_n) diverge vers −∞-\infty.

lim⁡n→+∞vn=−∞\lim_{n \to +\infty} v_n = -\infty

Piège classique · 12

Pour déterminer la limite de un=n+cos⁡(n)u_n = n + \cos(n), un élève écrit l'encadrement n−1≤un≤n+1n - 1 \le u_n \le n + 1. Que peut-on en conclure avec le théorème des gendarmes ?

Attention

Tenter d'appliquer le théorème des gendarmes à un encadrement bilatéral dont les deux bornes tendent vers l'infini, puis conclure à tort à une absence de limite.

À la place : Le théorème des gendarmes s'applique exclusivement pour démontrer une convergence vers une limite finie commune. Pour une limite infinie, une seule inégalité suffit : la minoration un≥n−1u_n \ge n - 1 avec lim⁡(n−1)=+∞\lim (n - 1) = +\infty permet de conclure immédiatement que lim⁡un=+∞\lim u_n = +\infty.

Vérification · 13

Soit (wn)(w_n) une suite réelle. Laquelle des conditions suivantes garantit avec certitude que lim⁡n→+∞wn=+∞\lim_{n \to +\infty} w_n = +\infty ?

Remarque

Comme lim⁡n→+∞n=+∞\lim_{n \to +\infty} \sqrt{n} = +\infty, la minoration wn≥nw_n \ge \sqrt{n} garantit lim⁡n→+∞wn=+∞\lim_{n \to +\infty} w_n = +\infty d'après le théorème de comparaison. Une majoration ne fixe pas le comportement vers +∞+\infty, et une suite croissante peut très bien converger vers un réel fini si elle est majorée.

Définition · 14

Théorème des gendarmes et encadrement

Pour déterminer la limite d'une suite dont certains termes oscillent sans limite propre (comme cos⁡(n)\cos(n), sin⁡(n)\sin(n) ou (−1)n(-1)^n), on encadre cette suite entre deux suites convergeant vers une même limite finie.

Si un≤wn≤vn aˋ partir d’un certain rang et lim⁡n→+∞un=lim⁡n→+∞vn=l, alors lim⁡n→+∞wn=l\text{Si } u_n \le w_n \le v_n \text{ à partir d'un certain rang et } \lim_{n \to +\infty} u_n = \lim_{n \to +\infty} v_n = l, \text{ alors } \lim_{n \to +\infty} w_n = l

Dans le cas particulier fréquent d'une limite nulle, l'encadrement se formule directement à l'aide de la valeur absolue.

Si ∣wn∣≤vn aˋ partir d’un certain rang et lim⁡n→+∞vn=0, alors lim⁡n→+∞wn=0\text{Si } |w_n| \le v_n \text{ à partir d'un certain rang et } \lim_{n \to +\infty} v_n = 0, \text{ alors } \lim_{n \to +\infty} w_n = 0

Remarque

Ce théorème exige obligatoirement deux bornes encadrantes (inférieure et supérieure) tendant vers la même valeur finie ll.

Exemple travaillé · 15

Détermine la limite de la suite (un)n≥0(u_n)_{n \ge 0} définie par un=cos⁡(n)2n+3u_n = \frac{\cos(n)}{2n+3}.

1

On encadre le terme oscillant cos⁡(n)\cos(n) pour tout entier naturel nn.

−1≤cos⁡(n)≤1-1 \le \cos(n) \le 1
2

Pour tout n≥0n \ge 0, le dénominateur 2n+32n+3 est strictement positif. On divise par 2n+32n+3 sans changer le sens des inégalités.

−12n+3≤cos⁡(n)2n+3≤12n+3-\frac{1}{2n+3} \le \frac{\cos(n)}{2n+3} \le \frac{1}{2n+3}
3

On calcule la limite des deux suites encadrantes.

lim⁡n→+∞−12n+3=0etlim⁡n→+∞12n+3=0\lim_{n \to +\infty} -\frac{1}{2n+3} = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{n \to +\infty} \frac{1}{2n+3} = 0
4

Les deux bornes tendent vers 00. D'après le théorème des gendarmes, on conclut :

lim⁡n→+∞un=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0

Exemple travaillé · 16

Détermine la limite de la suite (vn)n≥0(v_n)_{n \ge 0} définie par vn=5+(−1)nn+1v_n = 5 + \frac{(-1)^n}{n+1}.

1

On isole le facteur alterné (−1)n(-1)^n. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} :

−1≤(−1)n≤1-1 \le (-1)^n \le 1
2

Comme n+1>0n+1 > 0, on divise chaque membre par n+1n+1.

−1n+1≤(−1)nn+1≤1n+1-\frac{1}{n+1} \le \frac{(-1)^n}{n+1} \le \frac{1}{n+1}
3

Puisque lim⁡n→+∞−1n+1=0\lim_{n \to +\infty} -\frac{1}{n+1} = 0 et lim⁡n→+∞1n+1=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n+1} = 0, le théorème des gendarmes assure :

lim⁡n→+∞(−1)nn+1=0\lim_{n \to +\infty} \frac{(-1)^n}{n+1} = 0
4

Par addition avec la constante 55, on obtient la limite finale.

lim⁡n→+∞vn=5+0=5\lim_{n \to +\infty} v_n = 5 + 0 = 5

Piège classique · 17

Une suite (un)(u_n) vérifie pour tout n≥1n \ge 1 l'inégalité un≤1nu_n \le \frac{1}{n}. Peut-on en déduire que lim⁡n→+∞un=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0 ?

Attention

Conclure que la suite converge vers 00 en s'appuyant uniquement sur une majoration unilatérale dont la borne tend vers 00.

À la place : Une majoration seule ne borne pas la suite par le bas : rien n'empêche la suite de plonger vers −∞-\infty. Par exemple, la suite définie par un=−nu_n = -n vérifie bien −n≤1n-n \le \frac{1}{n} pour tout n≥1n \ge 1, mais lim⁡n→+∞un=−∞\lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty. Le théorème des gendarmes exige impérativement une minoration et une majoration.

Vérification · 18

Soit la suite (wn)n≥0(w_n)_{n \ge 0} définie par wn=(−1)n+74n2+3w_n = \frac{(-1)^n + 7}{4n^2 + 3}. Quelle est la limite de (wn)(w_n) ?

Remarque

Pour tout entier nn, on a −1≤(−1)n≤1-1 \le (-1)^n \le 1, d'où 6≤(−1)n+7≤86 \le (-1)^n + 7 \le 8. Comme 4n2+3>04n^2 + 3 > 0, on obtient l'encadrement 0≤64n2+3≤wn≤84n2+30 \le \frac{6}{4n^2+3} \le w_n \le \frac{8}{4n^2+3}. Les deux bornes tendent vers 00, donc par le théorème des gendarmes, lim⁡n→+∞wn=0\lim_{n \to +\infty} w_n = 0.

Point de départ · 19

Intuition sur une puissance répétée

On considère la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par un=(0,99)nu_n = (0,99)^n. Comme 0,990,99 est très proche de 11, quelle est selon toi la limite de cette suite lorsque nn tend vers +∞+\infty ?

Remarque

Multiplier répétitivement par un nombre strictement inférieur à 11 réduit progressivement la valeur : à l'infini, (0,99)n(0,99)^n finit par s'écraser vers 00, et non vers 11.

Définition · 20

Limite d'une suite géométrique

Soit qq un nombre réel et (un)(u_n) la suite géométrique de terme général un=qnu_n = q^n pour tout entier naturel nn.

{Si ∣q∣<1 (soit −1<q<1),lim⁡n→+∞qn=0Si q>1,lim⁡n→+∞qn=+∞Si q=1,(qn) est constante et lim⁡n→+∞qn=1Si q≤−1,(qn) n’admet pas de limite\begin{cases} \text{Si } |q| < 1 \text{ (soit } -1 < q < 1\text{)}, & \lim_{n \to +\infty} q^n = 0 \\ \text{Si } q > 1, & \lim_{n \to +\infty} q^n = +\infty \\ \text{Si } q = 1, & (q^n) \text{ est constante et } \lim_{n \to +\infty} q^n = 1 \\ \text{Si } q \le -1, & (q^n) \text{ n'admet pas de limite} \end{cases}

Remarque

Pour une suite géométrique générale de terme un=u0⋅qnu_n = u_0 \cdot q^n, la limite dépend également du signe du premier terme u0u_0 lorsque q>1q > 1.

Exemple travaillé · 21

Détermine la limite de la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par un=1+2n3nu_n = \frac{1 + 2^n}{3^n}.

1

On sépare la fraction en deux termes pour faire apparaître des puissances indépendantes.

un=13n+2n3n=(13)n+(23)nu_n = \frac{1}{3^n} + \frac{2^n}{3^n} = \left(\frac{1}{3}\right)^n + \left(\frac{2}{3}\right)^n
2

On identifie la raison de chaque terme géométrique.

q1=13etq2=23q_1 = \frac{1}{3} \quad \text{et} \quad q_2 = \frac{2}{3}
3

Comme −1<13<1-1 < \frac{1}{3} < 1 et −1<23<1-1 < \frac{2}{3} < 1, on applique le théorème sur les suites géométriques.

lim⁡n→+∞(13)n=0etlim⁡n→+∞(23)n=0\lim_{n \to +\infty} \left(\frac{1}{3}\right)^n = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{n \to +\infty} \left(\frac{2}{3}\right)^n = 0
4

Par somme de limites finies, on conclut :

lim⁡n→+∞un=0+0=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0 + 0 = 0

Exemple travaillé · 22

Étudie la convergence de la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par un=(1−2)nu_n = (1 - \sqrt{2})^n.

1

Il s'agit d'une suite géométrique de raison q=1−2q = 1 - \sqrt{2}.

2

On évalue numériquement la raison à l'aide de l'approximation 2≈1,414\sqrt{2} \approx 1,414.

q=1−2≈1−1,414=−0,414q = 1 - \sqrt{2} \approx 1 - 1,414 = -0,414
3

On vérifie la position de la raison par rapport à l'intervalle ]−1;1[]-1 ; 1[.

−1<1−2<0<1-1 < 1 - \sqrt{2} < 0 < 1
4

Puisque ∣q∣<1|q| < 1, le théorème sur les suites géométriques assure la convergence vers 00.

lim⁡n→+∞(1−2)n=0\lim_{n \to +\infty} (1 - \sqrt{2})^n = 0

Piège classique · 23

Soit (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} la suite géométrique définie par u0=−3u_0 = -3 et un+1=2unu_{n+1} = 2u_n. Quelle est la limite de (un)(u_n) en +∞+\infty ?

Attention

Affirmer que la limite est +∞+\infty au seul motif que la raison q=2q = 2 est strictement supérieure à 11.

À la place : L'expression explicite est un=u0⋅qn=−3⋅2nu_n = u_0 \cdot q^n = -3 \cdot 2^n. Comme 2>12 > 1, on a lim⁡n→+∞2n=+∞\lim_{n \to +\infty} 2^n = +\infty. Le produit par le premier terme strictement négatif (u0=−3u_0 = -3) donne par règle des signes : lim⁡n→+∞un=−∞\lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty.

Vérification · 24

Parmi les suites suivantes, laquelle n'admet aucune limite en +∞+\infty ?

Remarque

Pour un=(−7)nu_n = (-7)^n, la raison vérifie q=−7≤−1q = -7 \le -1 : la suite oscille entre des valeurs positives et négatives sans se stabiliser ni converger. Pour vnv_n, comme ∣−12∣<1|-\frac{1}{2}| < 1, la suite converge vers 22. Pour wnw_n, la suite diverge vers −∞-\infty car −5<0-5 < 0 et 3>13 > 1.

Définition · 25

Formes indéterminées et factorisation du terme dominant

Lorsqu'on applique les opérations sur les limites, certaines situations ne permettent pas de conclure directement. On les appelle des formes indéterminées.

Vocabulaire

  • Formes indéterminées usuelles — "+∞−∞",  "∞∞",  "0×∞",  "00""+\infty - \infty", \; "\frac{\infty}{\infty}", \; "0 \times \infty", \; "\frac{0}{0}"

Pour lever une indétermination du type « ∞∞\frac{\infty}{\infty} » ou « +∞−∞+\infty - \infty » sur des expressions polynomiales ou rationnelles, la méthode fondamentale consiste à factoriser par le terme de plus haut degré (terme prépondérant).

apnp+…bqnq+…=np(ap+…n)nq(bq+…n)\frac{a_p n^p + \dots}{b_q n^q + \dots} = \frac{n^p \left(a_p + \frac{\dots}{n}\right)}{n^q \left(b_q + \frac{\dots}{n}\right)}

Exemple travaillé · 26

Détermine la limite de la suite (un)n≥1(u_n)_{n \ge 1} définie par un=3n2−5n+12n2+4u_n = \frac{3n^2 - 5n + 1}{2n^2 + 4}.

1

Le numérateur et le dénominateur tendent vers +∞+\infty : il s'agit d'une forme indéterminée du type « +∞+∞\frac{+\infty}{+\infty} ».

2

On factorise par le monôme de plus haut degré n2n^2 au numérateur et au dénominateur.

un=n2(3−5n+1n2)n2(2+4n2)u_n = \frac{n^2 \left(3 - \frac{5}{n} + \frac{1}{n^2}\right)}{n^2 \left(2 + \frac{4}{n^2}\right)}
3

Pour tout entier n≥1n \ge 1, on simplifie par n2n^2.

un=3−5n+1n22+4n2u_n = \frac{3 - \frac{5}{n} + \frac{1}{n^2}}{2 + \frac{4}{n^2}}
4

Comme lim⁡n→+∞1n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} = 0 et lim⁡n→+∞1n2=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n^2} = 0, on conclut par quotient de limites :

lim⁡n→+∞un=3−0+02+0=32\lim_{n \to +\infty} u_n = \frac{3 - 0 + 0}{2 + 0} = \frac{3}{2}

Exemple travaillé · 27

Détermine la limite de la suite (un)n≥0(u_n)_{n \ge 0} définie par un=4n2+1−nu_n = \sqrt{4n^2 + 1} - n.

1

On est face à une forme indéterminée du type « +∞−∞+\infty - \infty ». Sous le radical, le terme dominant est 4n24n^2, dont la racine vaut 2n2n. Comme 2n−n=n≠02n - n = n \ne 0, les termes prépondérants ne s'annulent pas : une factorisation directe par nn suffit.

2

Pour tout n>0n > 0, on factorise par n2n^2 sous la racine carrée.

4n2+1=n2(4+1n2)=n4+1n2\sqrt{4n^2 + 1} = \sqrt{n^2 \left(4 + \frac{1}{n^2}\right)} = n\sqrt{4 + \frac{1}{n^2}}
3

On factorise l'expression globale par nn.

un=n(4+1n2−1)u_n = n \left(\sqrt{4 + \frac{1}{n^2}} - 1\right)
4

La parenthèse tend vers 4−1=1\sqrt{4} - 1 = 1, et lim⁡n→+∞n=+∞\lim_{n \to +\infty} n = +\infty.

5

Par produit d'une limite infinie par une limite finie strictement positive, on conclut :

lim⁡n→+∞un=+∞\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty

Exemple travaillé · 28

Détermine la limite de la suite (un)n≥0(u_n)_{n \ge 0} définie par un=n+1−nu_n = \sqrt{n+1} - \sqrt{n}.

1

Il s'agit d'une forme indéterminée « +∞−∞+\infty - \infty ». Ici, les termes dominants sont n\sqrt{n} et n\sqrt{n} : leur différence s'annule (n−n=0\sqrt{n} - \sqrt{n} = 0). Une factorisation mènerait à « ∞×0\infty \times 0 ». Il faut donc utiliser l'expression conjuguée.

2

On multiplie et on divise par l'expression conjuguée n+1+n\sqrt{n+1} + \sqrt{n}.

un=(n+1−n)(n+1+n)n+1+nu_n = \frac{(\sqrt{n+1} - \sqrt{n})(\sqrt{n+1} + \sqrt{n})}{\sqrt{n+1} + \sqrt{n}}
3

On applique l'identité remarquable (a−b)(a+b)=a2−b2(a-b)(a+b) = a^2 - b^2 au numérateur.

un=(n+1)−nn+1+n=1n+1+nu_n = \frac{(n+1) - n}{\sqrt{n+1} + \sqrt{n}} = \frac{1}{\sqrt{n+1} + \sqrt{n}}
4

Le dénominateur tend vers +∞+\infty par somme de deux limites infinies. Par quotient avec le numérateur constant 11 :

lim⁡n→+∞un=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0

Piège classique · 29

Pour déterminer la limite en +∞+\infty de un=9n2+2−nu_n = \sqrt{9n^2 + 2} - n, quelle démarche est la plus directe et adaptée ?

Attention

Appliquer systématiquement la quantité conjuguée dès qu'une racine carrée apparaît dans une différence.

À la place : Sous le radical, le terme dominant est 9n2=3n\sqrt{9n^2} = 3n. Face au terme −n-n, la différence des coefficients dominants donne 3−1=2≠03 - 1 = 2 \ne 0. Comme les termes dominants ne s'annulent pas, une simple factorisation par nn suffit : un=n(9+2n2−1)→+∞u_n = n\left(\sqrt{9 + \frac{2}{n^2}} - 1\right) \to +\infty. La quantité conjuguée alourdit inutilement le calcul.

Vérification · 30

Pour laquelle des suites suivantes l'expression conjuguée est-elle indispensable pour lever l'indétermination en +∞+\infty ?

Remarque

Pour an=n2+3n−na_n = \sqrt{n^2 + 3n} - n, le terme dominant sous la racine est n2=n\sqrt{n^2} = n. Comme n−n=0n - n = 0, les termes prépondérants s'annulent et la factorisation produirait une indétermination « ∞×0\infty \times 0 » : l'expression conjuguée est indispensable. Pour bnb_n, les coefficients diffèrent (2n−n≠02n - n \ne 0), donc la factorisation suffit. Pour cnc_n, c'est une somme sans indétermination.

Définition · 31

Majoration de l'écart à la limite

Pour établir qu'une suite récurrente (un)(u_n) converge vers un réel ll, on étudie la distance ∣un−l∣|u_n - l| et on cherche à la majorer par le terme d'une suite géométrique convergeant vers 00.

Si ∣un−l∣≤M⋅kn avec M>0 et 0≤k<1, alors lim⁡n→+∞un=l\text{Si } |u_n - l| \le M \cdot k^n \text{ avec } M > 0 \text{ et } 0 \le k < 1, \text{ alors } \lim_{n \to +\infty} u_n = l

En pratique, cette majoration s'obtient souvent à partir d'une inégalité de contraction d'un rang au suivant.

∣un+1−l∣≤k∣un−l∣avec 0≤k<1|u_{n+1} - l| \le k |u_n - l| \quad \text{avec } 0 \le k < 1

Remarque

Cette inégalité entraîne par récurrence ∣un−l∣≤kn∣u0−l∣|u_n - l| \le k^n |u_0 - l|. Comme 0≤k<10 \le k < 1, on a lim⁡n→+∞kn=0\lim_{n \to +\infty} k^n = 0, et le théorème des gendarmes assure lim⁡n→+∞un=l\lim_{n \to +\infty} u_n = l.

Exemple travaillé · 32

Soit la suite (un)(u_n) définie par u0=9u_0 = 9 et pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, un+1=8un−6un+1u_{n+1} = \frac{8u_n - 6}{u_n + 1}. On admet que pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, un≥6u_n \ge 6. Montre que pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, un+1−6≤27(un−6)u_{n+1} - 6 \le \frac{2}{7}(u_n - 6).

1

On exprime la différence un+1−6u_{n+1} - 6 en réduisant au même dénominateur.

un+1−6=8un−6un+1−6=8un−6−6(un+1)un+1=2(un−6)un+1u_{n+1} - 6 = \frac{8u_n - 6}{u_n + 1} - 6 = \frac{8u_n - 6 - 6(u_n + 1)}{u_n + 1} = \frac{2(u_n - 6)}{u_n + 1}
2

On utilise la minoration un≥6u_n \ge 6 pour encadrer le dénominateur.

un≥6  ⟹  un+1≥7u_n \ge 6 \implies u_n + 1 \ge 7
3

Le passage à l'inverse sur des termes strictement positifs inverse le sens de l'inégalité.

1un+1≤17  ⟹  2un+1≤27\frac{1}{u_n + 1} \le \frac{1}{7} \implies \frac{2}{u_n + 1} \le \frac{2}{7}
4

Comme un≥6u_n \ge 6, le facteur (un−6)(u_n - 6) est positif. On multiplie par (un−6)(u_n - 6) sans changer le sens de l'inégalité.

un+1−6=2un+1(un−6)≤27(un−6)u_{n+1} - 6 = \frac{2}{u_n + 1}(u_n - 6) \le \frac{2}{7}(u_n - 6)

Exemple travaillé · 33

On sait que un≥6u_n \ge 6 et que pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, un+1−6≤27(un−6)u_{n+1} - 6 \le \frac{2}{7}(u_n - 6), avec u0=9u_0 = 9. Détermine la limite de la suite (un)(u_n).

1

Par récurrence immédiate à partir de l'inégalité un+1−6≤27(un−6)u_{n+1} - 6 \le \frac{2}{7}(u_n - 6), on propage la raison 27\frac{2}{7} jusqu'au rang initial.

un−6≤(27)n(u0−6)u_n - 6 \le \left(\frac{2}{7}\right)^n (u_0 - 6)
2

On évalue u0−6=9−6=3u_0 - 6 = 9 - 6 = 3 et on utilise la minoration un≥6u_n \ge 6 pour encadrer l'écart.

0≤un−6≤3(27)n0 \le u_n - 6 \le 3\left(\frac{2}{7}\right)^n
3

La raison géométrique vérifie −1<27<1-1 < \frac{2}{7} < 1, d'où la limite nulle de la puissance.

lim⁡n→+∞(27)n=0\lim_{n \to +\infty} \left(\frac{2}{7}\right)^n = 0
4

D'après le théorème des gendarmes, l'écart tend vers 00, ce qui livre la limite de la suite.

lim⁡n→+∞(un−6)=0  ⟹  lim⁡n→+∞un=6\lim_{n \to +\infty} (u_n - 6) = 0 \implies \lim_{n \to +\infty} u_n = 6

Piège classique · 34

Soit la suite (vn)n∈N(v_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par v0=1v_0 = 1 et vn+1=2vn−3v_{n+1} = 2v_n - 3. On résout l'équation du point fixe l=2l−3l = 2l - 3, ce qui donne l=3l = 3. Peut-on en déduire directement que la suite (vn)(v_n) converge vers 33 ?

Attention

Affirmer qu'une suite récurrente converge vers la solution de l'équation f(l)=lf(l) = l sans avoir préalablement établi l'existence de sa limite.

À la place : L'équation f(l)=lf(l) = l donne seulement les valeurs limites possibles SI la suite converge. Ici, v1=−1v_1 = -1, v2=−5v_2 = -5 et le terme général vaut vn=3−2n+1v_n = 3 - 2^{n+1} : la suite diverge vers −∞-\infty ! Il faut obligatoirement prouver la convergence (par encadrement de l'écart ou monotonie) avant d'exploiter le point fixe.

Vérification · 35

Soit une suite (un)(u_n) vérifiant pour tout entier nn, ∣un+1−2∣≤k∣un−2∣|u_{n+1} - 2| \le k |u_n - 2|. Sous quelle condition sur la constante kk cette inégalité garantit-elle à elle seule que lim⁡n→+∞un=2\lim_{n \to +\infty} u_n = 2 ?

Remarque

Si 0≤k<10 \le k < 1, l'inégalité implique ∣un−2∣≤kn∣u0−2∣|u_n - 2| \le k^n |u_0 - 2|. Comme la raison géométrique vérifie k∈[0;1[k \in [0 ; 1[, on a lim⁡n→+∞kn=0\lim_{n \to +\infty} k^n = 0. Le théorème des gendarmes assure alors lim⁡n→+∞∣un−2∣=0\lim_{n \to +\infty} |u_n - 2| = 0, soit lim⁡n→+∞un=2\lim_{n \to +\infty} u_n = 2. Si k≥1k \ge 1, la suite géométrique majorante ne tend pas vers 00 et on ne peut rien conclure.

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