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Suites réelles — cours

4ème année (Bac) · section Informatique · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

Soit la suite (un)n≥1(u_n)_{n \ge 1} définie par un=2+3nu_n = 2 + \frac{3}{n}. Aucun terme unu_n n'est égal à 2. Peut-on néanmoins garantir que l'écart ∣un−2∣|u_n - 2| devient inférieur ou égal à 0,010{,}01 à partir d'un certain rang ?

Remarque

Pour tout n≥300n \ge 300, on a 3n≤3300=0,01\frac{3}{n} \le \frac{3}{300} = 0{,}01. Même si la suite n'atteint jamais la valeur 2, ses termes se rapprochent arbitrairement près de 2 dès que l'indice nn est suffisamment grand.

Définition · 2

Définition d'une suite convergente

Soit (un)n≥n0(u_n)_{n \ge n_0} une suite réelle et ll un nombre réel.

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

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

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

Remarque

Le réel ϵ\epsilon représente une marge de tolérance arbitrairement petite, et pp est le rang entier à partir duquel tous les termes restent confinés dans l'intervalle ]l−ϵ ; l+ϵ[]l - \epsilon \,;\, l + \epsilon[.

Exemple travaillé · 3

Détermination d'un rang de seuil

Soit (un)n≥1(u_n)_{n \ge 1} la suite définie par un=2+3nu_n = 2 + \frac{3}{n}. Déterminer un entier naturel pp tel que pour tout n≥pn \ge p, on ait ∣un−2∣<10−2|u_n - 2| < 10^{-2}.

1

On simplifie l'expression de l'écart avec la limite l=2l = 2.

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

On pose l'inégalité demandée et on isole l'indice nn.

4
3n<10−2  ⟺  3n<1100  ⟺  n>300\frac{3}{n} < 10^{-2} \iff \frac{3}{n} < \frac{1}{100} \iff n > 300
5

L'inégalité sur nn étant stricte, le premier entier naturel satisfaisant la condition est 301.

6
p=301p = 301

Piège classique · 4

On considère toujours un=2+3nu_n = 2 + \frac{3}{n}. Pour assurer ∣un−2∣<10−7|u_n - 2| < 10^{-7}, la résolution donne n>3×107n > 3 \times 10^7. Quelle est la plus petite valeur du rang entier pp tel que n≥p  ⟹  ∣un−2∣<10−7n \ge p \implies |u_n - 2| < 10^{-7} ?

Attention

Choisir p=3×107p = 3 \times 10^7 en confondant l'inégalité stricte avec une inégalité large.

À la place : Pour n=3×107n = 3 \times 10^7, on a ∣un−2∣=10−7|u_n - 2| = 10^{-7}, ce qui ne respecte pas l'inégalité stricte demandée. Le premier entier naturel admissible est p=3×107+1p = 3 \times 10^7 + 1.

Exemple travaillé · 5

Preuve formelle avec ϵ\epsilon

Démontrer, en utilisant la définition formelle avec ϵ\epsilon, que la suite (un)n≥1(u_n)_{n \ge 1} définie par un=2+3nu_n = 2 + \frac{3}{n} converge vers 2.

1

Soit un réel ϵ>0\epsilon > 0 quelconque.

2

On cherche un entier naturel pp tel que pour tout entier n≥pn \ge p, on ait ∣un−2∣<ϵ|u_n - 2| < \epsilon.

3
∣un−2∣<ϵ  ⟺  3n<ϵ  ⟺  n>3ϵ|u_n - 2| < \epsilon \iff \frac{3}{n} < \epsilon \iff n > \frac{3}{\epsilon}
4

On note E(x)E(x) la partie entière de xx. Le nombre E(3ϵ)+1E\left(\frac{3}{\epsilon}\right) + 1 est un entier naturel vérifiant E(3ϵ)+1>3ϵE\left(\frac{3}{\epsilon}\right) + 1 > \frac{3}{\epsilon}.

5
p=E(3ϵ)+1p = E\left(\frac{3}{\epsilon}\right) + 1
6

Pour tout entier n≥pn \ge p, on a n>3ϵn > \frac{3}{\epsilon}, d'où ∣un−2∣<ϵ|u_n - 2| < \epsilon.

7

L'existence de l'entier pp étant établie pour tout ϵ>0\epsilon > 0, la suite (un)(u_n) converge vers 2.

Vérification · 6

Soit la suite (un)n≥1(u_n)_{n \ge 1} définie par un=5−1nu_n = 5 - \frac{1}{n}. On veut déterminer le rang minimal p∈Np \in \mathbb{N} à partir duquel ∣un−5∣<0,02|u_n - 5| < 0{,}02. Quelle est la valeur de pp ?

Remarque

∣un−5∣=1n|u_n - 5| = \frac{1}{n}. L'inégalité 1n<0,02=150\frac{1}{n} < 0{,}02 = \frac{1}{50} équivaut à n>50n > 50. Comme l'inégalité est stricte, le premier rang entier naturel admissible est p=51p = 51.

Définition · 7

Définition de la divergence vers l'infini

Soit (un)n≥n0(u_n)_{n \ge n_0} une suite réelle.

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

On dit que la suite (un)(u_n) tend vers +∞+\infty si tout intervalle de la forme ]A ; +∞[]A\,;\,+\infty[ contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang.

∀A>0,  ∃p∈N,  ∀n≥p,  un>A\forall A > 0, \; \exists p \in \mathbb{N}, \; \forall n \ge p, \; u_n > A

Remarque

De façon analogue, lim⁡n→+∞un=−∞\lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty signifie que pour tout réel A>0A > 0, il existe un entier naturel pp tel que pour tout n≥pn \ge p, on a un<−Au_n < -A.

Exemple travaillé · 8

Seuil pour une limite infinie

Soit la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par un=n2u_n = n^2. Pour un réel A>0A > 0 donné, déterminer un rang entier p∈Np \in \mathbb{N} à partir duquel tous les termes vérifient un>Au_n > A.

1

On cherche un entier naturel pp tel que pour tout entier n≥pn \ge p, l'inégalité n2>An^2 > A soit vraie.

2
n2>A  ⟺  n>An^2 > A \iff n > \sqrt{A}
3

La fonction partie entière EE permet de définir le premier entier strictement supérieur au réel A\sqrt{A}.

4
p=E(A)+1p = E(\sqrt{A}) + 1
5

Pour tout n≥pn \ge p, on a n>An > \sqrt{A}, ce qui assure un>Au_n > A. On a ainsi établi formellement que lim⁡n→+∞n2=+∞\lim_{n \to +\infty} n^2 = +\infty.

Piège classique · 9

Une suite (un)(u_n) qui n'est pas majorée admet-elle nécessairement +∞+\infty pour limite ?

Attention

Penser qu'une suite non majorée s'échappe obligatoirement tout entière vers +∞+\infty.

À la place : Une suite non majorée peut osciller et revenir indéfiniment vers des valeurs finies. La divergence vers +∞+\infty exige que TOUS les termes dépassent n'importe quel seuil AA à partir d'un rang pp.

Exemple travaillé · 10

Suite non majorée sans limite infinie

Soit la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par un=n(1+(−1)n)u_n = n(1 + (-1)^n). Montrer que (un)(u_n) n'est pas majorée et qu'elle ne tend pas vers +∞+\infty.

1

On sépare l'étude selon la parité de l'indice nn.

2

Pour les indices pairs n=2kn = 2k avec k∈Nk \in \mathbb{N} :

3
u2k=2k(1+(−1)2k)=2k(1+1)=4ku_{2k} = 2k(1 + (-1)^{2k}) = 2k(1 + 1) = 4k
4

Puisque lim⁡k→+∞4k=+∞\lim_{k \to +\infty} 4k = +\infty, la suite prend des valeurs supérieures à tout réel donné : elle n'est pas majorée.

5

Pour les indices impairs n=2k+1n = 2k + 1 avec k∈Nk \in \mathbb{N} :

6
u2k+1=(2k+1)(1+(−1)2k+1)=(2k+1)(1−1)=0u_{2k+1} = (2k+1)(1 + (-1)^{2k+1}) = (2k+1)(1 - 1) = 0
7

Si on choisit le seuil A=1A = 1, tous les termes d'indices impairs vérifient u2k+1=0<1u_{2k+1} = 0 < 1. Il est donc impossible de trouver un rang pp à partir duquel tous les termes dépassent 1.

8

La suite (un)(u_n) n'est pas majorée et ne tend pas vers +∞+\infty : c'est une suite divergente sans limite.

Vérification · 11

On considère la suite (vn)n∈N(v_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par vn=(−1)n×n2v_n = (-1)^n \times n^2. Quelle est la nature de cette suite ?

Remarque

Pour nn pair, v2k=4k2→+∞v_{2k} = 4k^2 \to +\infty, et pour nn impair, v2k+1=−(2k+1)2→−∞v_{2k+1} = -(2k+1)^2 \to -\infty. La suite oscille entre des valeurs positives et négatives de plus en plus grandes : elle est divergente sans limite.

Rappel · 12

Rappel : Monotonie et bornes d'une suite

Soit (un)n≥n0(u_n)_{n \ge n_0} une suite réelle.

un+1≥unpour tout n≥n0  ⟺  (un) est croissanteu_{n+1} \ge u_n \quad \text{pour tout } n \ge n_0 \iff (u_n) \text{ est croissante}

un+1≤unpour tout n≥n0  ⟺  (un) est deˊcroissanteu_{n+1} \le u_n \quad \text{pour tout } n \ge n_0 \iff (u_n) \text{ est décroissante}

Une suite est majorée s'il existe un réel MM tel que pour tout n≥n0n \ge n_0, un≤Mu_n \le M.

Une suite est minorée s'il existe un réel mm tel que pour tout n≥n0n \ge n_0, un≥mu_n \ge m.

Remarque

Une suite est bornée lorsqu'elle est à la fois majorée et minorée.

Définition · 13

Théorème de convergence monotone

Pour toute suite réelle (un)n≥n0(u_n)_{n \ge n_0} :

(un) croissante et majoreˊe  ⟹  (un) converge vers un reˊel l(u_n) \text{ croissante et majorée} \implies (u_n) \text{ converge vers un réel } l

(un) deˊcroissante et minoreˊe  ⟹  (un) converge vers un reˊel l(u_n) \text{ décroissante et minorée} \implies (u_n) \text{ converge vers un réel } l

Remarque

Si (un)(u_n) est croissante et non majorée, alors elle diverge vers +∞+\infty. Si (un)(u_n) est décroissante et non minorée, alors elle diverge vers −∞-\infty.

Exemple travaillé · 14

Convergence d'une suite monotone

Soit la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par un=5−1n+1u_n = 5 - \frac{1}{n+1}. On admet qu'elle est strictement croissante. Justifier qu'elle est convergente et déterminer sa limite.

1

Pour tout entier naturel nn, le dénominateur n+1n+1 est strictement positif, donc 1n+1>0\frac{1}{n+1} > 0.

2
un=5−1n+1<5u_n = 5 - \frac{1}{n+1} < 5
3

La suite (un)(u_n) est strictement croissante et majorée par 5. D'après le théorème de convergence monotone, elle converge vers un réel fini ll.

4
lim⁡n→+∞1n+1=0  ⟹  lim⁡n→+∞un=5−0=5\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n+1} = 0 \implies \lim_{n \to +\infty} u_n = 5 - 0 = 5

Piège classique · 15

Une suite (un)(u_n) est croissante et vérifie un≤10u_n \le 10 pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}. Peut-on en déduire que lim⁡n→+∞un=10\lim_{n \to +\infty} u_n = 10 ?

Attention

Affirmer que la limite d'une suite croissante majorée est nécessairement égale au majorant exhibé.

À la place : Le théorème garantit l'existence d'une limite ll, mais on sait seulement que l≤10l \le 10. La suite un=2−1n+1u_n = 2 - \frac{1}{n+1} est bien majorée par 10, mais sa limite est 2.

Exemple travaillé · 16

Somme géométrique et convergence monotone

Soit la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par un=1+17+(17)2+⋯+(17)nu_n = 1 + \frac{1}{7} + \left(\frac{1}{7}\right)^2 + \dots + \left(\frac{1}{7}\right)^n. Justifier que (un)(u_n) converge et déterminer sa limite.

1

On étudie la différence de deux termes consécutifs.

2
un+1−un=(17)n+1>0u_{n+1} - u_n = \left(\frac{1}{7}\right)^{n+1} > 0
3

La suite (un)(u_n) est donc strictement croissante.

4

On exprime la somme des n+1n+1 termes de la suite géométrique de premier terme 1 et de raison 17\frac{1}{7}.

5
un=1−(17)n+11−17=76(1−(17)n+1)u_n = \frac{1 - \left(\frac{1}{7}\right)^{n+1}}{1 - \frac{1}{7}} = \frac{7}{6}\left(1 - \left(\frac{1}{7}\right)^{n+1}\right)
6

Comme (17)n+1>0\left(\frac{1}{7}\right)^{n+1} > 0, on a 1−(17)n+1<11 - \left(\frac{1}{7}\right)^{n+1} < 1, d'où un<76u_n < \frac{7}{6}.

7

La suite (un)(u_n) est croissante et majorée par 76\frac{7}{6} : d'après le théorème de convergence monotone, elle converge.

8

Comme ∣17∣<1\left|\frac{1}{7}\right| < 1, on a lim⁡n→+∞(17)n+1=0\lim_{n \to +\infty} \left(\frac{1}{7}\right)^{n+1} = 0. Par suite, lim⁡n→+∞un=76\lim_{n \to +\infty} u_n = \frac{7}{6}.

Vérification · 17

Soit (vn)n∈N(v_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite décroissante vérifiant pour tout entier naturel nn l'inégalité vn≥3+2n+1v_n \ge 3 + \frac{2}{n+1}. Que peut-on affirmer avec certitude ?

Remarque

Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, 2n+1>0\frac{2}{n+1} > 0, donc vn>3v_n > 3. La suite (vn)(v_n) est décroissante et minorée par 3 : d'après le théorème de convergence monotone, elle converge vers une limite réelle l≥3l \ge 3.

Définition · 18

Théorème des gendarmes et théorèmes de comparaison

Soient (un)(u_n), (vn)(v_n) et (wn)(w_n) trois suites réelles définies pour tout entier n≥n0n \ge n_0.

Théorème d'encadrement (théorème des gendarmes) :

∀n≥n0,  un≤wn≤vnetlim⁡n→+∞un=lim⁡n→+∞vn=l  (l∈R)\forall n \ge n_0, \; u_n \le w_n \le v_n \quad \text{et} \quad \lim_{n \to +\infty} u_n = \lim_{n \to +\infty} v_n = l \; (l \in \mathbb{R})

lim⁡n→+∞wn=l\lim_{n \to +\infty} w_n = l

Théorèmes de comparaison pour les limites infinies :

∀n≥n0,  wn≥unaveclim⁡n→+∞un=+∞  ⟹  lim⁡n→+∞wn=+∞\forall n \ge n_0, \; w_n \ge u_n \quad \text{avec} \quad \lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty \implies \lim_{n \to +\infty} w_n = +\infty
∀n≥n0,  wn≤vnaveclim⁡n→+∞vn=−∞  ⟹  lim⁡n→+∞wn=−∞\forall n \ge n_0, \; w_n \le v_n \quad \text{avec} \quad \lim_{n \to +\infty} v_n = -\infty \implies \lim_{n \to +\infty} w_n = -\infty

Remarque

Le théorème des gendarmes exige deux bornes qui convergent vers la même valeur finie. Pour une limite infinie, une seule borne (minoration pour +∞+\infty, majoration pour −∞-\infty) suffit.

Exemple travaillé · 19

Écrasement d'un terme oscillant borné

Déterminer la limite de la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par un=cos⁡nn+1u_n = \frac{\cos n}{n+1}.

1

Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, le cosinus est borné par −1-1 et 11.

2
−1≤cos⁡n≤1-1 \le \cos n \le 1
3

Comme n+1>0n+1 > 0 pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, on divise chaque membre par n+1n+1 sans changer le sens des inégalités.

4
−1n+1≤cos⁡nn+1≤1n+1-\frac{1}{n+1} \le \frac{\cos n}{n+1} \le \frac{1}{n+1}
5

On calcule la limite des deux suites encadrantes aux bornes.

6
lim⁡n→+∞−1n+1=0etlim⁡n→+∞1n+1=0\lim_{n \to +\infty} -\frac{1}{n+1} = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n+1} = 0
7

Les deux bornes convergent vers la même limite 0. D'après le théorème des gendarmes, la suite (un)(u_n) converge et sa limite est 0.

8
lim⁡n→+∞un=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0

Piège classique · 20

On veut déterminer la limite en +∞+\infty de la suite définie par un=n+cos⁡nu_n = n + \cos n. Quelle démarche applique-t-on ?

Attention

Écrire n−1≤un≤n+1n-1 \le u_n \le n+1 et conclure que lim⁡un=+∞\lim u_n = +\infty par le « théorème des gendarmes ».

À la place : Le théorème des gendarmes s'applique exclusivement aux limites finies dans R\mathbb{R}. Pour une limite infinie, une simple minoration unilatérale un≥n−1u_n \ge n-1 suffit, par le théorème de comparaison.

Exemple travaillé · 21

Encadrement global d'une somme dépendante de n

Soit la suite (Sn)n≥1(S_n)_{n \ge 1} définie par Sn=∑k=1nnn2+kS_n = \sum_{k=1}^n \frac{n}{n^2+k}. Justifier que (Sn)(S_n) converge et déterminer sa limite.

1

Pour tout entier kk vérifiant 1≤k≤n1 \le k \le n, on encadre le dénominateur n2+kn^2+k par ses valeurs extrêmes.

2
n2+1≤n2+k≤n2+nn^2 + 1 \le n^2 + k \le n^2 + n
3

Tous les termes étant strictement positifs, la fonction inverse renverse l'ordre des inégalités.

4
1n2+n≤1n2+k≤1n2+1\frac{1}{n^2 + n} \le \frac{1}{n^2 + k} \le \frac{1}{n^2 + 1}
5

On multiplie chaque membre par le numérateur n>0n > 0.

6
nn2+n≤nn2+k≤nn2+1\frac{n}{n^2 + n} \le \frac{n}{n^2 + k} \le \frac{n}{n^2 + 1}
7

On somme ces nn inégalités pour kk variant de 1 à nn. Les bornes gauche et droite ne dépendant pas de kk, elles sont multipliées par le nombre de termes nn.

8
n2n2+n≤Sn≤n2n2+1\frac{n^2}{n^2 + n} \le S_n \le \frac{n^2}{n^2 + 1}
9

On étudie la limite des deux expressions encadrantes.

10
lim⁡n→+∞n2n2+n=1etlim⁡n→+∞n2n2+1=1\lim_{n \to +\infty} \frac{n^2}{n^2 + n} = 1 \quad \text{et} \quad \lim_{n \to +\infty} \frac{n^2}{n^2 + 1} = 1
11

D'après le théorème des gendarmes, la suite (Sn)(S_n) converge et sa limite est 1.

12
lim⁡n→+∞Sn=1\lim_{n \to +\infty} S_n = 1

Vérification · 22

Pour déterminer la limite à l'infini de la suite définie par wn=n2+(−1)nnw_n = n^2 + (-1)^n n, quelle méthode est théoriquement adaptée ?

Remarque

Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, on a (−1)n≥−1(-1)^n \ge -1, d'où wn≥n2−n=n(n−1)w_n \ge n^2 - n = n(n-1). Comme lim⁡n→+∞n(n−1)=+∞\lim_{n \to +\infty} n(n-1) = +\infty, le théorème de comparaison à l'infini permet de conclure que lim⁡n→+∞wn=+∞\lim_{n \to +\infty} w_n = +\infty. Le théorème des gendarmes est exclu car la limite recherchée n'est pas finie.

Définition · 23

Théorème du point fixe

Soit ff une fonction continue d'un intervalle II dans lui-même et (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} la suite définie par u0∈Iu_0 \in I et pour tout entier naturel nn :

un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n)

Si la suite (un)(u_n) converge vers un réel l∈Il \in I, alors la continuité de ff en ll garantit que ll est solution de l'équation de point fixe :

f(l)=lf(l) = l

Remarque

L'égalité f(l)=lf(l) = l résulte du passage à la limite : lim⁡n→+∞un+1=l\lim_{n \to +\infty} u_{n+1} = l et lim⁡n→+∞f(un)=f(l)\lim_{n \to +\infty} f(u_n) = f(l). Elle suppose impérativement d'avoir établi l'existence de la limite au préalable.

Exemple travaillé · 24

Convergence et calcul de la limite par point fixe

Soit la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par u0=0u_0 = 0 et pour tout entier naturel nn, un+1=3un+4u_{n+1} = \sqrt{3u_n + 4}. Montrer que (un)(u_n) converge et déterminer sa limite.

1

La fonction f:x↦3x+4f : x \mapsto \sqrt{3x+4} est continue et strictement croissante sur l'intervalle [0 ; 4][0\,;\,4].

2

On montre par récurrence que pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, 0≤un<un+1≤40 \le u_n < u_{n+1} \le 4. L'initialisation est vérifiée car u0=0u_0 = 0 et u1=2u_1 = 2. Si 0≤un<un+1≤40 \le u_n < u_{n+1} \le 4, la croissance de ff donne f(0)≤f(un)<f(un+1)≤f(4)f(0) \le f(u_n) < f(u_{n+1}) \le f(4), soit 2≤un+1<un+2≤42 \le u_{n+1} < u_{n+2} \le 4.

3

La suite (un)(u_n) est strictement croissante et majorée par 4. D'après le théorème de convergence monotone, elle converge vers un réel l∈[0 ; 4]l \in [0\,;\,4].

4

Puisque ff est continue sur [0 ; 4][0\,;\,4], la limite ll vérifie l'équation de point fixe f(l)=lf(l) = l.

5
3l+4=l  ⟺  3l+4=l2  ⟺  l2−3l−4=0\sqrt{3l + 4} = l \iff 3l + 4 = l^2 \iff l^2 - 3l - 4 = 0
6

Le discriminant est Δ=25\Delta = 25. Les racines sont −1-1 et 44. Comme l∈[0 ; 4]l \in [0\,;\,4], la valeur −1-1 est rejetée car elle est strictement négative.

7
lim⁡n→+∞un=4\lim_{n \to +\infty} u_n = 4

Piège classique · 25

Soit la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par u0=4u_0 = 4 et un+1=2un−3u_{n+1} = 2u_n - 3. Un élève écrit : « Soit ll la limite. Alors l=2l−3  ⟺  l=3l = 2l - 3 \iff l = 3, donc la suite converge vers 3 ». Que penser de cette démarche ?

Attention

Écrire l'équation f(l)=lf(l) = l avant d'avoir prouvé que la suite converge vers un réel fini.

À la place : L'équation de point fixe n'a de sens que si l'existence de la limite est démontrée. Ici, les premiers termes sont u0=4u_0 = 4, u1=5u_1 = 5, u2=7u_2 = 7, u3=11u_3 = 11 : la suite diverge vers +∞+\infty.

Exemple travaillé · 26

Majoration contractante et vitesse géométrique

Soit la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par u0=0u_0 = 0 et un+1=un+6u_{n+1} = \sqrt{u_n + 6}. On admet que pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, 0≤un≤30 \le u_n \le 3. Montrer que pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, 0≤3−un+1≤13(3−un)0 \le 3 - u_{n+1} \le \frac{1}{3}(3 - u_n), puis déterminer la limite de (un)(u_n).

1

On multiplie par l'expression conjuguée 3+un+63 + \sqrt{u_n + 6} pour transformer la différence 3−un+13 - u_{n+1}.

2
3−un+1=3−un+6=9−(un+6)3+un+6=3−un3+un+63 - u_{n+1} = 3 - \sqrt{u_n + 6} = \frac{9 - (u_n + 6)}{3 + \sqrt{u_n + 6}} = \frac{3 - u_n}{3 + \sqrt{u_n + 6}}
3

Comme un≥0u_n \ge 0, on a un+6≥6>0\sqrt{u_n + 6} \ge \sqrt{6} > 0, d'où 3+un+6≥33 + \sqrt{u_n + 6} \ge 3.

4
13+un+6≤13\frac{1}{3 + \sqrt{u_n + 6}} \le \frac{1}{3}
5

Puisque un≤3u_n \le 3, le numérateur 3−un3 - u_n est positif ou nul. En multipliant l'inégalité par 3−un3 - u_n :

6
0≤3−un+1≤13(3−un)0 \le 3 - u_{n+1} \le \frac{1}{3}(3 - u_n)
7

Par récurrence immédiate, on en déduit pour tout entier naturel nn :

8
0≤3−un≤(3−u0)(13)n=3(13)n0 \le 3 - u_n \le (3 - u_0)\left(\frac{1}{3}\right)^n = 3\left(\frac{1}{3}\right)^n
9

Comme lim⁡n→+∞3(13)n=0\lim_{n \to +\infty} 3\left(\frac{1}{3}\right)^n = 0, le théorème des gendarmes permet de conclure :

10
lim⁡n→+∞un=3\lim_{n \to +\infty} u_n = 3

Vérification · 27

Soit la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par u0=1u_0 = 1 et un+1=5unun+2u_{n+1} = \frac{5u_n}{u_n + 2}. On admet que (un)(u_n) est croissante et converge vers un réel ll. Les solutions de l'équation f(l)=lf(l) = l sont 0 et 3. Quelle est la limite ll ?

Remarque

Comme (un)(u_n) est croissante et que u0=1u_0 = 1, tous les termes vérifient un≥1u_n \ge 1. Par passage à la limite dans les inégalités, on a l≥1l \ge 1. La solution 0 est donc rejetée, et la limite est l=3l = 3.

Définition · 28

Suites homographiques et suites auxiliaires

Une suite homographique est définie par une relation de récurrence de la forme :

un+1=aun+bcun+du_{n+1} = \frac{a u_n + b}{c u_n + d}

Pour expliciter le terme général unu_n et déterminer sa limite, on introduit une suite auxiliaire (vn)(v_n) qui transforme la relation non linéaire en une suite usuelle :

vn=1unouvn=un−αunv_n = \frac{1}{u_n} \quad \text{ou} \quad v_n = \frac{u_n - \alpha}{u_n}

Remarque

Selon la structure des coefficients, cette transformation produit une suite (vn)(v_n) arithmétique ou géométrique, que l'on sait expliciter directement.

Exemple travaillé · 29

Linéarisation par l'inverse

Soit la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par u0=1u_0 = 1 et pour tout entier naturel nn : un+1=un1+2unu_{n+1} = \frac{u_n}{1 + 2u_n}. On admet que un>0u_n > 0 pour tout nn. En posant vn=1unv_n = \frac{1}{u_n}, exprimer unu_n en fonction de nn puis calculer sa limite.

1

On calcule la différence vn+1−vnv_{n+1} - v_n pour déterminer la nature de la suite (vn)(v_n).

2
vn+1−vn=1un+1−1un=1+2unun−1un=1un+2−1un=2v_{n+1} - v_n = \frac{1}{u_{n+1}} - \frac{1}{u_n} = \frac{1 + 2u_n}{u_n} - \frac{1}{u_n} = \frac{1}{u_n} + 2 - \frac{1}{u_n} = 2
3

La différence étant constante, (vn)(v_n) est une suite arithmétique de raison r=2r = 2 et de premier terme v0=1u0=1v_0 = \frac{1}{u_0} = 1.

4

On applique la formule explicite du terme général d'une suite arithmétique : vn=v0+nrv_n = v_0 + nr.

5
vn=1+2nv_n = 1 + 2n
6

Puisque vn=1unv_n = \frac{1}{u_n}, on en déduit l'expression de unu_n en prenant l'inverse de vnv_n.

7
un=12n+1u_n = \frac{1}{2n + 1}
8

Comme lim⁡n→+∞(2n+1)=+∞\lim_{n \to +\infty} (2n + 1) = +\infty, on conclut sur la limite de (un)(u_n).

9
lim⁡n→+∞un=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0

Piège classique · 30

Combien de termes comporte la somme Sn=∑k=0n1=1+1+⋯+1S_n = \sum_{k=0}^n 1 = 1 + 1 + \dots + 1 allant de l'indice k=0k=0 à l'indice k=nk=n ?

Attention

Penser que la somme comporte nn termes en regardant uniquement la borne supérieure nn.

À la place : L'indice de départ est 00. Le nombre de termes d'une sommation d'indices allant de pp à nn est (n−p+1)(n - p + 1). Pour k=0k=0 à nn, il y a donc (n−0+1)=n+1(n - 0 + 1) = n + 1 termes. Ainsi, ∑k=0n1=n+1\sum_{k=0}^n 1 = n + 1.

Exemple travaillé · 31

Calcul de somme et limite de moyenne

Soit la suite (wn)n∈N(w_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par wn=1−vnw_n = 1 - v_n, où (vn)(v_n) est la suite géométrique définie par v0=−2v_0 = -2 et de raison q=14q = \frac{1}{4}. On pose Sn=∑k=0nwkS_n = \sum_{k=0}^n w_k. Exprimer SnS_n en fonction de nn, puis calculer lim⁡n→+∞Snn\lim_{n \to +\infty} \frac{S_n}{n}.

1

On sépare la constante et la suite géométrique dans la somme.

2
Sn=∑k=0n(1−vk)=∑k=0n1−∑k=0nvkS_n = \sum_{k=0}^n (1 - v_k) = \sum_{k=0}^n 1 - \sum_{k=0}^n v_k
3

La première somme comporte (n−0+1)=n+1(n - 0 + 1) = n + 1 termes tous égaux à 1, donc ∑k=0n1=n+1\sum_{k=0}^n 1 = n + 1.

4

La seconde somme est la somme des n+1n+1 termes consécutifs d'une suite géométrique de raison q=14≠1q = \frac{1}{4} \neq 1.

5
∑k=0nvk=v0×1−qn+11−q=−2×1−(14)n+11−14=−83(1−(14)n+1)\sum_{k=0}^n v_k = v_0 \times \frac{1 - q^{n+1}}{1 - q} = -2 \times \frac{1 - \left(\frac{1}{4}\right)^{n+1}}{1 - \frac{1}{4}} = -\frac{8}{3}\left(1 - \left(\frac{1}{4}\right)^{n+1}\right)
6

On regroupe les deux résultats pour exprimer la somme totale SnS_n.

7
Sn=n+1+83(1−(14)n+1)S_n = n + 1 + \frac{8}{3}\left(1 - \left(\frac{1}{4}\right)^{n+1}\right)
8

Pour évaluer lim⁡n→+∞Snn\lim_{n \to +\infty} \frac{S_n}{n}, on divise chaque terme par n>0n > 0.

9
Snn=n+1n+83n(1−(14)n+1)=1+1n+83n(1−(14)n+1)\frac{S_n}{n} = \frac{n+1}{n} + \frac{8}{3n}\left(1 - \left(\frac{1}{4}\right)^{n+1}\right) = 1 + \frac{1}{n} + \frac{8}{3n}\left(1 - \left(\frac{1}{4}\right)^{n+1}\right)
10

Comme lim⁡n→+∞1n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} = 0 et lim⁡n→+∞(14)n+1=0\lim_{n \to +\infty} \left(\frac{1}{4}\right)^{n+1} = 0, la fraction résiduelle tend vers 0.

11
lim⁡n→+∞Snn=1\lim_{n \to +\infty} \frac{S_n}{n} = 1

Vérification · 32

Combien de termes comporte la somme Tn=∑k=2n+31T_n = \sum_{k=2}^{n+3} 1 pour tout entier naturel nn ?

Remarque

Le nombre de termes d'une sommation d'indices allant de k=2k = 2 à k=n+3k = n + 3 est donné par (dernier indice−premier indice+1)=(n+3)−2+1=n+2(\text{dernier indice} - \text{premier indice} + 1) = (n + 3) - 2 + 1 = n + 2 termes.

Point de départ · 33

Pour calculer le terme u10u_{10} de la suite définie par u0=1u_0 = 1, u1=2u_1 = 2 et un+2=6un+1−5unu_{n+2} = 6u_{n+1} - 5u_n, doit-on calculer successivement tous les termes intermédiaires ?

Remarque

Calculer u2,u3,…,u10u_2, u_3, \dots, u_{10} de proche en proche devient vite fastidieux et source d'erreurs, et devient impraticable pour u1000u_{1000}. On cherche une méthode algébrique pour exprimer directement unu_n en fonction de nn.

Définition · 34

Suite récurrente linéaire d'ordre 2 à coefficients constants

Soit (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite vérifiant pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} la relation de récurrence :

un+2=aun+1+bunu_{n+2} = a u_{n+1} + b u_n

où aa et bb sont des constantes réelles avec b≠0b \neq 0. L'équation caractéristique associée s'écrit :

r2−ar−b=0r^2 - a r - b = 0

Si cette équation admet deux racines réelles distinctes r1r_1 et r2r_2, le terme général de la suite s'écrit pour tout entier naturel nn sous la forme :

un=αr1n+βr2nu_n = \alpha r_1^n + \beta r_2^n

Remarque

Les constantes réelles α\alpha et β\beta sont uniquement déterminées par la donnée des deux premiers termes u0u_0 et u1u_1.

Exemple travaillé · 35

Détermination du terme général

Soit la suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par u0=1u_0 = 1, u1=2u_1 = 2 et pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} : un+2=6un+1−5unu_{n+2} = 6u_{n+1} - 5u_n. Déterminer l'expression explicite de unu_n en fonction de nn.

1

On écrit et on résout l'équation caractéristique associée : r2−6r+5=0r^2 - 6r + 5 = 0.

2
Δ=(−6)2−4(1)(5)=36−20=16=42\Delta = (-6)^2 - 4(1)(5) = 36 - 20 = 16 = 4^2
3

Les deux racines réelles distinctes sont r1=6−42=1r_1 = \frac{6 - 4}{2} = 1 et r2=6+42=5r_2 = \frac{6 + 4}{2} = 5.

4

Le terme général est de la forme un=α×5n+β×1n=α×5n+βu_n = \alpha \times 5^n + \beta \times 1^n = \alpha \times 5^n + \beta pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}.

5

On utilise les conditions initiales u0=1u_0 = 1 et u1=2u_1 = 2 pour déterminer α\alpha et β\beta :

6
{α+β=15α+β=2\begin{cases} \alpha + \beta = 1 \\ 5\alpha + \beta = 2 \end{cases}
7

Par soustraction membre à membre, on trouve 4α=14\alpha = 1, d'où α=14\alpha = \frac{1}{4}, puis β=1−14=34\beta = 1 - \frac{1}{4} = \frac{3}{4}.

8

On en déduit l'expression explicite pour tout entier naturel nn :

9
un=5n+34u_n = \frac{5^n + 3}{4}

Piège classique · 36

Pour un=α×5n+βu_n = \alpha \times 5^n + \beta avec u0=1u_0 = 1 et u1=2u_1 = 2, quelle équation traduit la condition initiale au rang n=0n = 0 ?

Attention

Écrire 5α+β=15\alpha + \beta = 1 en inversant les rangs n=0n = 0 et n=1n = 1.

À la place : Au rang n=0n = 0, l'exposant est nul : 50=15^0 = 1, ce qui donne α+β=u0=1\alpha + \beta = u_0 = 1. L'équation 5α+β=25\alpha + \beta = 2 correspond au rang n=1n = 1 car 51=55^1 = 5.

Vérification · 37

Quelle est l'équation caractéristique associée à la suite vérifiant pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} la relation un+2=5un+1−6unu_{n+2} = 5u_{n+1} - 6u_n ?

Remarque

En transposant tous les termes dans le membre de gauche, la relation s'écrit un+2−5un+1+6un=0u_{n+2} - 5u_{n+1} + 6u_n = 0. L'équation caractéristique associée est donc r2−5r+6=0r^2 - 5r + 6 = 0 (de racines 2 et 3).

Définition · 38

Définition des suites adjacentes

Deux suites réelles (un)n≥0(u_n)_{n \ge 0} et (vn)n≥0(v_n)_{n \ge 0} sont dites adjacentes lorsqu'elles vérifient simultanément trois conditions :

1.  un≤vnpour tout entier n≥01. \; u_n \le v_n \quad \text{pour tout entier } n \ge 0
2.  (un) est croissante et (vn) est deˊcroissante2. \; (u_n) \text{ est croissante et } (v_n) \text{ est décroissante}
3.  lim⁡n→+∞(vn−un)=03. \; \lim_{n \to +\infty} (v_n - u_n) = 0

Théorème fondamental des suites adjacentes :

(un) et (vn) adjacentes  ⟹  lim⁡n→+∞un=lim⁡n→+∞vn=l∈R(u_n) \text{ et } (v_n) \text{ adjacentes} \implies \lim_{n \to +\infty} u_n = \lim_{n \to +\infty} v_n = l \in \mathbb{R}

Remarque

Deux suites adjacentes convergent nécessairement vers une même limite réelle finie ll.

Exemple travaillé · 39

Preuve d'adjacence de deux suites récurrentes croisées

Soient les suites (un)(u_n) et (vn)(v_n) définies sur N\mathbb{N} par u0=12u_0 = 12, v0=1v_0 = 1, un+1=un+2vn3u_{n+1} = \frac{u_n + 2v_n}{3} et vn+1=un+3vn4v_{n+1} = \frac{u_n + 3v_n}{4}. On pose wn=un−vnw_n = u_n - v_n. Montrer que (wn)(w_n) est géométrique, puis en déduire que (un)(u_n) et (vn)(v_n) sont adjacentes.

1

On exprime la différence wn+1=un+1−vn+1w_{n+1} = u_{n+1} - v_{n+1} au même dénominateur.

2
wn+1=un+2vn3−un+3vn4=4(un+2vn)−3(un+3vn)12=un−vn12=112wnw_{n+1} = \frac{u_n + 2v_n}{3} - \frac{u_n + 3v_n}{4} = \frac{4(u_n + 2v_n) - 3(u_n + 3v_n)}{12} = \frac{u_n - v_n}{12} = \frac{1}{12}w_n
3

(wn)(w_n) est une suite géométrique de raison 112\frac{1}{12} et de premier terme w0=u0−v0=12−1=11w_0 = u_0 - v_0 = 12 - 1 = 11. Son terme général est wn=11(112)n>0w_n = 11\left(\frac{1}{12}\right)^n > 0, donc un>vnu_n > v_n pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}.

4

On étudie la monotonie de chaque suite :

5
un+1−un=2(vn−un)3=−23wn<0  ⟹  (un) est strictement deˊcroissanteu_{n+1} - u_n = \frac{2(v_n - u_n)}{3} = -\frac{2}{3}w_n < 0 \implies (u_n) \text{ est strictement décroissante}
6
vn+1−vn=un−vn4=14wn>0  ⟹  (vn) est strictement croissantev_{n+1} - v_n = \frac{u_n - v_n}{4} = \frac{1}{4}w_n > 0 \implies (v_n) \text{ est strictement croissante}
7

Comme ∣112∣<1\left|\frac{1}{12}\right| < 1, on a lim⁡n→+∞(un−vn)=lim⁡n→+∞wn=0\lim_{n \to +\infty} (u_n - v_n) = \lim_{n \to +\infty} w_n = 0. Les suites (vn)(v_n) et (un)(u_n) vérifient les trois conditions : elles sont adjacentes et convergent vers une même limite réelle.

Piège classique · 40

Pour déterminer la limite commune de deux suites adjacentes couplées comme (un)(u_n) et (vn)(v_n), quelle démarche doit-on privilégier ?

Attention

Tenter de trouver l'expression explicite de unu_n et de vnv_n en fonction de nn en résolvant le système de récurrence.

À la place : Expliciter chaque terme général est souvent très lourd ou impraticable. On repère plutôt une combinaison linéaire invariante aun+bvn=constantea u_n + b v_n = \text{constante} : le passage à la limite donne directement (a+b)l=constante(a + b)l = \text{constante}, ce qui fournit la limite commune immédiatement.

Exemple travaillé · 41

Calcul de la limite commune par combinaison linéaire invariante

On considère les suites adjacentes définies par u0=12u_0 = 12, v0=1v_0 = 1, un+1=un+2vn3u_{n+1} = \frac{u_n + 2v_n}{3} et vn+1=un+3vn4v_{n+1} = \frac{u_n + 3v_n}{4}. On pose tn=3un+8vnt_n = 3u_n + 8v_n pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}. Montrer que (tn)(t_n) est constante et déterminer la limite commune ll des suites (un)(u_n) et (vn)(v_n).

1

On exprime tn+1t_{n+1} à l'aide des formules de récurrence de un+1u_{n+1} et vn+1v_{n+1}.

2
tn+1=3(un+2vn3)+8(un+3vn4)=(un+2vn)+2(un+3vn)t_{n+1} = 3\left(\frac{u_n + 2v_n}{3}\right) + 8\left(\frac{u_n + 3v_n}{4}\right) = (u_n + 2v_n) + 2(u_n + 3v_n)
3
tn+1=un+2vn+2un+6vn=3un+8vn=tnt_{n+1} = u_n + 2v_n + 2u_n + 6v_n = 3u_n + 8v_n = t_n
4

La suite (tn)(t_n) est donc constante : pour tout entier naturel nn, on a tn=t0=3u0+8v0t_n = t_0 = 3u_0 + 8v_0.

5
t0=3(12)+8(1)=36+8=44t_0 = 3(12) + 8(1) = 36 + 8 = 44
6

Puisque (un)(u_n) et (vn)(v_n) sont adjacentes, elles convergent vers une même limite réelle ll. Par passage à la limite dans la relation 3un+8vn=443u_n + 8v_n = 44 :

7
3l+8l=44  ⟺  11l=44  ⟺  l=43l + 8l = 44 \iff 11l = 44 \iff l = 4
8

On en déduit que lim⁡n→+∞un=lim⁡n→+∞vn=4\lim_{n \to +\infty} u_n = \lim_{n \to +\infty} v_n = 4.

Vérification · 42

Deux suites (an)(a_n) et (bn)(b_n) vérifient : (an)(a_n) croissante, (bn)(b_n) décroissante, an≤bna_n \le b_n, lim⁡n→+∞(bn−an)=0\lim_{n \to +\infty} (b_n - a_n) = 0, et pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, 2an+3bn=352a_n + 3b_n = 35. Vers quelle valeur commune convergent-elles ?

Remarque

Les suites (an)(a_n) et (bn)(b_n) étant adjacentes, elles admettent une même limite réelle ll. Par passage à la limite dans l'égalité invariante 2an+3bn=352a_n + 3b_n = 35, on obtient 2l+3l=35  ⟺  5l=352l + 3l = 35 \iff 5l = 35, d'où l=7l = 7.

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