Une suite (un) est dite majorée par un réel M lorsque :
Remarque
Une suite est majorée si aucun terme ne dépasse la constante M (un≤M pour tout n). Elle est croissante si chaque terme est supérieur ou égal au précédent (un+1≥un).
Point de départ · 2
Une suite (un) monte à chaque étape (un+1≥un) sans jamais dépasser le plafond 5 (un≤5). Peut-elle osciller indéfiniment sans se stabiliser ?
Remarque
Comme la suite ne redescend jamais et reste bloquée sous 5, ses valeurs s'accumulent nécessairement en s'approchant d'un seuil limite fini.
Définition · 3
Théorème de convergence monotone
Toute suite reˊelle croissante et majoreˊe est convergente.
Toute suite reˊelle deˊcroissante et minoreˊe est convergente.
Remarque
Ce théorème garantit l'existence d'une limite finie l, sans fournir directement sa valeur numérique.
Exemple travaillé · 4
Soit la suite (un) définie sur N par un=5−n+11. Démontrer que (un) converge en utilisant le théorème de convergence monotone.
1
On évalue la différence entre deux termes consécutifs pour étudier la monotonie :
Pour tout n∈N, (n+1)(n+2)1>0, donc un+1>un : la suite (un) est strictement croissante.
4
Pour tout n∈N, n+11>0, d'où un=5−n+11<5 : la suite (un) est majorée par 5.
5
La suite (un) est croissante et majorée : d'après le théorème de convergence monotone, elle converge vers une limite réelle finie l (ici limn→+∞un=5).
Exemple travaillé · 5
Soit la suite (un) définie sur N par u0=4 et un+1=21un+1. Démontrer que (un) est convergente.
1
On montre par récurrence que pour tout n∈N, un≥2 :
2
u0=4≥2et siun≥2⟹un+1=21un+1≥21(2)+1=2
3
On étudie ensuite le signe de la différence entre deux termes consécutifs :
4
un+1−un=21un+1−un=1−21un=22−un
5
Comme un≥2 pour tout n, on a 2−un≤0, d'où un+1−un≤0 : la suite (un) est décroissante.
6
La suite (un) est décroissante et minorée par 2 : par le théorème de convergence monotone, elle converge vers une limite réelle l.
Piège classique · 6
Une suite (un) est croissante et majorée par 10. Peut-on affirmer que limn→+∞un=10 ?
Attention
Affirmer que la limite d'une suite croissante est égale au majorant utilisé.
À la place : Le majorant n'est qu'une borne supérieure possible : la suite un=3−n+11 est majorée par 10, mais converge vers 3. Le théorème garantit seulement limn→+∞un≤10.
Piège classique · 7
Pour une suite (un), on constate que limn→+∞(un+1−un)=0. Cela prouve-t-il que (un) converge ?
Attention
Conclure qu'une suite converge du seul fait que l'écart consécutif un+1−un tend vers 0.
À la place : Des pas qui diminuent peuvent s'accumuler indéfiniment : pour la somme harmonique un=1+21+⋯+n1, on a bien un+1−un=n+11→0, pourtant limn→+∞un=+∞. Sans majorant, la suite peut diverger.
Vérification · 8
Soit une suite (vn) vérifiant pour tout n∈N : vn+1−vn=3n−n2 et vn≥0. Que déduit-on immédiatement ?
Remarque
Pour tout n∈N, vn+1−vn≤0, donc (vn) est décroissante. Comme elle est minorée par 0, le théorème de convergence monotone garantit qu'elle converge vers un réel fini l≥0 (qui n'est pas obligatoirement 0).
Rappel · 9
Pour tout entier naturel n, quel est l'encadrement fondamental vérifié par cos(n) ?
Remarque
La fonction cosinus (comme la fonction sinus) prend toutes ses valeurs dans l'intervalle [−1;1]. Pour tout n∈N, on a toujours −1≤cos(n)≤1.
Point de départ · 10
La suite définie par un=ncos(n) pour n≥1 possède un numérateur qui oscille sans fin entre −1 et 1. Peut-elle quand même converger ?
Remarque
Même si cos(n) oscille indéfiniment, les bornes fixes −1 et 1 divisées par n tendent toutes deux vers 0. Le terme est écrasé en étau : c'est le principe du théorème des gendarmes.
Définition · 11
Théorème des gendarmes et comparaison
Si vn≤un≤wn et n→+∞limvn=n→+∞limwn=l, alors n→+∞limun=l.
Si un≥vn et limn→+∞vn=+∞, alors limn→+∞un=+∞.
Remarque
Le théorème des gendarmes s'applique exclusivement pour encadrer une limite finie l. Pour pousser une suite vers +∞, une seule minoration un≥vn suffit.
Exemple travaillé · 12
Soit la suite (tn) définie sur N∗ par tn=2n3n+cos(n). Démontrer que (tn) est convergente et déterminer sa limite.
1
On encadre le terme trigonométrique oscillant pour tout n∈N∗ :
2
−1≤cos(n)≤1
3
On ajoute 3n à chaque membre de l'inégalité :
4
3n−1≤3n+cos(n)≤3n+1
5
Comme 2n>0, on divise par 2n en conservant le sens des inégalités :
6
2n3n−1≤tn≤2n3n+1
7
On évalue la limite des deux suites encadrantes :
8
n→+∞lim2n3n−1=23etn→+∞lim2n3n+1=23
9
D'après le théorème des gendarmes, la suite (tn) converge et sa limite est limn→+∞tn=23.
Exemple travaillé · 13
Soit la suite (Un) définie sur N∗ par Un=∑k=1nn2+kn. Démontrer que (Un) converge et calculer sa limite.
1
Pour tout entier k tel que 1≤k≤n, on encadre le dénominateur variable :
2
n2+1≤n2+k≤n2+n
3
Par passage à l'inverse sur les réels strictement positifs, puis multiplication par n>0 :
4
n2+nn≤n2+kn≤n2+1n
5
On somme ces n inégalités pour k allant de 1 à n :
6
n×n2+nn≤Un≤n×n2+1n⟺n2+nn2≤Un≤n2+1n2
7
On calcule les limites asymptotiques des deux bornes rationnelles :
8
n→+∞limn2+nn2=1etn→+∞limn2+1n2=1
9
Les bornes convergeant vers 1, le théorème des gendarmes assure que limn→+∞Un=1.
Piège classique · 14
Dans la somme Un=∑k=1nn2+kn, chaque terme individuel tend vers 0 quand n→+∞. Peut-on en déduire que limn→+∞Un=0 ?
Attention
Additionner les limites terme à terme pour une somme dont le nombre de termes tend vers l'infini.
À la place : Le théorème d'addition des limites ne s'applique qu'à une somme d'un nombre fixe de termes. Ici, la somme comporte n termes : leur accumulation compense leur petitesse et donne une limite égale à 1. Il faut obligatoirement encadrer la somme globale.
Piège classique · 15
Soit la suite définie par un=n+cos(n). Pour prouver que limn→+∞un=+∞, quelle démarche est correcte ?
Attention
Utiliser un encadrement bilatéral n−1≤un≤n+1 et invoquer le théorème des gendarmes pour une limite infinie.
À la place : Le théorème des gendarmes est strictement réservé aux limites finies. Pour une divergence vers +∞, une seule minoration suffit : pour tout n, un≥n−1. Comme limn→+∞(n−1)=+∞, le théorème de comparaison donne directement limn→+∞un=+∞.
Vérification · 16
Soit la suite (wn) définie pour tout n≥1 par wn=∑k=1nn2+k1. Quelle est la limite de (wn) en +∞ ?
Remarque
Pour tout 1≤k≤n, on a n2+n1≤n2+k1≤n2+11. En sommant ces n inégalités : n2+nn≤wn≤n2+1n. Les deux bornes tendent vers 1 (en factorisant par n). D'après le théorème des gendarmes, limn→+∞wn=1.
Point de départ · 17
Si une suite récurrente vérifiant un+1=f(un) converge vers un réel l, et si la fonction f est continue, quelle relation mathématique relie nécessairement la limite l et la fonction f ?
Remarque
Par décalage d'indice, limun+1=l. Par continuité de f, limf(un)=f(l). Comme un+1=f(un) pour tout n, les deux limites sont égales : on a impérativement f(l)=l.
Définition · 18
Théorème du point fixe pour les suites récurrentes
Soit f une fonction continue sur un intervalle I et (un) une suite veˊrifiant un+1=f(un) avec un∈I.
Si (un) converge vers un reˊel l∈I, alors f(l)=l.
Remarque
La continuité de f en l est indispensable. De plus, les bornes de la suite se transmettent à la limite : si pour tout n, un≥m, alors l≥m ; si un≤M, alors l≤M.
Exemple travaillé · 19
Soit la suite (un) définie sur N par u0=1 et un+1=un+2. Sachant que pour tout n∈N, un>0 et que (un) converge vers un réel l, calculer la valeur exacte de l.
1
La fonction f:x↦x+2 est continue sur l'intervalle [0;+∞[ qui contient tous les termes de la suite.
2
D'après le théorème du point fixe, la limite l est solution de f(l)=l :
3
l+2=l⟺l+2=l2⟺l2−l−2=0
4
L'équation polynomiale admet deux solutions réelles : l=2 et l=−1.
5
Comme un>0 pour tout entier n, par passage à la limite on a l≥0. La racine négative −1 est donc rejetée.
6
n→+∞limun=2
Exemple travaillé · 20
Soit la suite (un) définie sur N par u0=4 et un+1=un4un−3. On a démontré que pour tout n∈N, un≥3 et que (un) converge vers un réel l. Déterminer l.
1
La fonction f:x↦x4x−3 est continue sur [3;+∞[. D'après le théorème du point fixe, l vérifie f(l)=l :
2
l4l−3=l⟺4l−3=l2⟺l2−4l+3=0
3
On factorise le trinôme : (l−1)(l−3)=0. On obtient deux racines strictement positives : l=1 et l=3.
4
Comme pour tout n∈N, un≥3, le passage à la limite impose l≥3.
5
La racine 1<3 est exclue par la minoration. On conclut que limn→+∞un=3.
Piège classique · 21
Une suite (un) vérifie pour tout n∈N l'encadrement 41≤un≤21 et converge vers un réel l. Elle vérifie un+1=un2+163. L'équation x2+163=x a pour solutions 41 et 43. Quelle est la limite l ?
Attention
Choisir la solution 43 ou déclarer que les deux racines sont des limites possibles de la suite.
À la place : Tous les termes de la suite appartiennent à l'intervalle [41;21]. Par passage à la limite dans l'encadrement, on a obligatoirement 41≤l≤21. La valeur 43 est strictement supérieure à 21, elle est donc impossible. L'unique limite admissible est l=41.
Piège classique · 22
Soit la suite récurrente définie par u0=4 et un+1=f(un) où f(x)=21x+1. La fonction f est strictement croissante sur R. Peut-on en déduire que la suite (un) est croissante ?
Attention
Affirmer que la suite (un) est croissante au motif que la fonction associée f est croissante.
À la place : La croissance de f garantit seulement que la suite est monotone, mais son sens dépend de la comparaison entre u0 et u1. Ici, u0=4 et u1=21(4)+1=3. Comme u1<u0, la suite (un) est strictement décroissante, bien que f soit strictement croissante.
Vérification · 23
Soit la suite (un) définie par u0=3 et un+1=un+1. Sachant que (un) est strictement décroissante et minorée par 0, elle converge vers un réel l. Les solutions de l'équation x=x+1 sont 21−5 et 21+5. Quelle est la limite exacte de (un) ?
Remarque
La fonction racine carrée est continue. Comme un≥0 pour tout n, la limite vérifie l≥0. Or 5>1, donc 21−5<0. La solution négative est rejetée, ce qui donne limn→+∞un=21+5.
Point de départ · 24
On observe deux suites (un) et (vn) : (un) monte (un+1≥un), (vn) descend (vn+1≤vn), et pour tout n, un≤vn. Si l'écart vn−un tend vers 0 à l'infini, que peut-on affirmer sur leurs limites respectives ?
Remarque
Comme (un) est croissante et majorée par v0, elle converge. Comme (vn) est décroissante et minorée par u0, elle converge. Puisque leur différence s'annule à l'infini, elles se rejoignent exactement en une limite commune.
Définition · 25
Suites adjacentes et limite commune
Deux suites (un)n≥0 et (vn)n≥0 sont dites adjacentes lorsque :
∀n∈N,un≤vn
(un) est croissante et (vn) est deˊcroissante
limn→+∞(vn−un)=0
Théorème : Deux suites adjacentes sont convergentes et admettent la même limite finie l.
Remarque
Propriété fondamentale : pour tous entiers p et q, on a up≤vq. En particulier, pour tout n, un≤l≤vn.
Exemple travaillé · 26
Soient les suites (un) et (vn) définies par u0=0, v0=12, et pour tout n∈N : un+1=2un+vn et vn+1=3un+2vn. Démontrer que (un) et (vn) sont adjacentes.
1
On pose wn=vn−un et on exprime wn+1 en fonction de wn :
(wn) est une suite géométrique de raison 61 et de premier terme w0=12−0=12 :
4
wn=12(61)n
5
Comme w0>0 et 61>0, pour tout n∈N, wn>0, donc un<vn. De plus, comme ∣61∣<1, limn→+∞(vn−un)=0.
6
On étudie la monotonie de chaque suite :
7
un+1−un=2vn−un=2wn>0⟹(un) est strictement croissante
8
vn+1−vn=3un−vn=−3wn<0⟹(vn) est strictement deˊcroissante
9
Les trois conditions sont réunies : (un) et (vn) sont adjacentes et convergent vers une même limite.
Exemple travaillé · 27
Soit la suite (Sn) définie pour tout n≥1 par Sn=∑k=1nk21, et la suite (wn) définie par wn=Sn+n1. Démontrer que (Sn) et (wn) sont adjacentes.
1
On détermine le sens de variation de (Sn) pour n≥1 :
2
Sn+1−Sn=(n+1)21>0
3
La suite (Sn) est donc strictement croissante.
4
On étudie ensuite les variations de (wn) :
5
wn+1−wn=(Sn+1−Sn)+n+11−n1=(n+1)21−n(n+1)1
6
wn+1−wn=n(n+1)2n−(n+1)=n(n+1)2−1<0
7
La suite (wn) est donc strictement décroissante.
8
On examine la différence entre les deux suites :
9
wn−Sn=n1>0etn→+∞lim(wn−Sn)=n→+∞limn1=0
10
(Sn) est croissante, (wn) est décroissante, et lim(wn−Sn)=0 : les suites (Sn) et (wn) sont adjacentes.
Piège classique · 28
Soient les suites définies pour n≥1 par un=1−n1 et vn=3+n1. On constate que (un) est croissante, que (vn) est décroissante, et que un≤vn pour tout n. Les suites sont-elles adjacentes ?
Attention
Déclarer deux suites adjacentes dès qu'elles sont monotones de sens contraires et vérifient un≤vn.
À la place : La condition lim(vn−un)=0 est indispensable. Ici, limn→+∞(vn−un)=3−1=2=0 : les suites s'approchent mais restent séparées par un écart non nul, elles ne sont pas adjacentes.
Piège classique · 29
Si (un) et (vn) sont deux suites adjacentes avec (un) croissante et (vn) décroissante, que peut-on dire de la comparaison entre u100 et v2 ?
Attention
Penser que l'inégalité un≤vn ne s'applique qu'au même indice n, et douter lorsque le premier indice dépasse le second.
À la place : Pour deux suites adjacentes, tout terme de la suite croissante est inférieur ou égal à TOUT terme de la suite décroissante : pour tous entiers p et q, on a up≤vq. En intercalant leur limite commune l, on a up≤l≤vq, donc en particulier u100≤v2.
Vérification · 30
Soient (un) et (vn) deux suites adjacentes de limite commune l, avec (un) croissante et (vn) décroissante. On donne u4=1,41 et v4=1,42. Quel encadrement certain obtient-on pour l ?
Remarque
Comme (un) croît vers l et (vn) décroît vers l, la limite l est comprise entre les termes de même rang : pour tout entier n, un≤l≤vn. On a donc avec certitude 1,41≤l≤1,42.
Point de départ · 31
On considère la suite alternée définie pour tout n∈N par un=(−1)n+n+11. Que constate-t-on si l'on sépare les indices pairs (n=2p) et les indices impairs (n=2p+1) ?
Remarque
En séparant les indices selon leur parité, le terme oscillant (−1)n devient constant : u2p=1+2p+11→1 et u2p+1=−1+2p+21→−1. Chaque sous-suite devient régulière et facile à étudier.
Définition · 32
Théorème des sous-suites paires et impaires
Une suite (un) converge vers un reˊel l⟺n→+∞limu2n=letn→+∞limu2n+1=l
Si les sous-suites (u2n) et (u2n+1) convergent vers deux limites réelles distinctes (l1=l2), ou si l'une d'elles n'admet pas de limite, alors la suite (un) diverge.
Remarque
Pour conclure à la convergence de la suite globale, les deux sous-suites doivent impérativement converger vers la même valeur.
Exemple travaillé · 33
Soit la suite (un) définie pour tout n≥1 par un=2n+(−1)ncos(nπ). Démontrer que (un) est convergente et déterminer sa limite.
1
On évalue la sous-suite des termes de rang pair en remplaçant n par 2n (avec cos(2nπ)=1 et (−1)2n=1) :
2
u2n=2(2n)+(−1)2ncos(2nπ)=4n+11
3
Comme limn→+∞(4n+1)=+∞, on obtient limn→+∞u2n=0.
4
On évalue la sous-suite des termes de rang impair en remplaçant n par 2n+1 (avec cos((2n+1)π)=−1 et (−1)2n+1=−1) :
Les deux sous-suites (u2n) et (u2n+1) convergent vers la même limite 0 : d'après le théorème des sous-suites, (un) converge et limn→+∞un=0.
Exemple travaillé · 34
Démontrer que la suite (vn) définie pour tout n∈N par vn=(−1)n+n+12 n'admet pas de limite.
1
On détermine la limite de la sous-suite des termes d'indices pairs :
2
v2n=(−1)2n+2n+12=1+2n+12⟹n→+∞limv2n=1
3
On détermine la limite de la sous-suite des termes d'indices impairs :
4
v2n+1=(−1)2n+1+2n+22=−1+n+11⟹n→+∞limv2n+1=−1
5
Les sous-suites (v2n) et (v2n+1) convergent vers deux réels distincts (1=−1) : la suite globale (vn) n'admet pas de limite et diverge.
Piège classique · 35
Soit la suite définie par un=(−1)n. Un élève affirme : « Comme la suite oscille symétriquement entre −1 et 1, sa limite en +∞ est la moyenne des deux extrêmes, soit 0. » Cette affirmation est-elle exacte ?
Attention
Affirmer qu'une suite oscillante bornée converge vers la moyenne de ses extrêmes.
À la place : Une suite convergente doit se rapprocher d'un unique point d'accumulation. Ici, u2n=1→1 et u2n+1=−1→−1. Comme 1=−1, la suite (un) ne se stabilise pas : elle n'admet aucune limite et diverge.
Piège classique · 36
Soit une suite récurrente définie par un+1=f(un), où f est une fonction strictement décroissante. Peut-on démontrer que la suite globale (un) est monotone ?
Attention
Tenter d'établir la monotonie globale d'une suite un+1=f(un) lorsque f est strictement décroissante.
À la place : Comme f est décroissante, elle inverse l'ordre à chaque étape : si u0≤u1, alors f(u0)≥f(u1), c'est-à-dire u1≥u2, puis u2≤u3. La suite globale oscille autour de son équilibre. Ce sont les sous-suites (u2n) et (u2n+1), régies par la fonction composée f∘f (qui est croissante), qui sont monotones.
Vérification · 37
Soit la suite (wn) définie sur N par wn=n+12n+(−1)n. La suite (wn) est-elle convergente ?
Remarque
On évalue les deux sous-suites : pour les pairs, w2n=2n+14n+1→2. Pour les impairs, w2n+1=(2n+1)+12(2n+1)−1=2n+24n+1→2. Les deux sous-suites convergeant vers la même limite 2, le théorème assure que (wn) converge et que limn→+∞wn=2.
Point de départ · 38
À chaque étape d'un calcul itératif, la distance entre un et une cible fixe l est au moins divisée par deux : ∣un+1−l∣≤21∣un−l∣. Que devient cet écart après n répétitions ?
Remarque
À chaque pas, l'erreur résiduelle est multipliée par un coefficient inférieur à 1. Au bout de n étapes, l'écart est dominé par (21)n, une quantité géométrique qui s'écrase inévitablement vers 0.
Définition · 39
Majoration géométrique et convergence
Soit (un) une suite reˊelle, l∈R et k∈]0;1[.
S’il existe un rang n0 tel que pour tout n≥n0,∣un+1−l∣≤k∣un−l∣
alors pour tout n≥n0,∣un−l∣≤kn−n0∣un0−l∣etn→+∞limun=l
Remarque
Puisque 0<k<1, la suite géométrique (kn) converge vers 0. Par le théorème des gendarmes, limn→+∞∣un−l∣=0, ce qui garantit la convergence de (un) vers l.
Exemple travaillé · 40
Soit la suite (un) définie par u0=0 et un+1=6+un. Sachant que pour tout n∈N, un≥0, prouver que pour tout n∈N, ∣un+1−3∣≤31∣un−3∣ et déterminer limn→+∞un.
1
On transforme la différence en multipliant par l'expression conjuguée :
Comme un≥0, on a 6+un≥6>0, d'où le dénominateur vérifie 6+un+3≥3.
4
En passant à l'inverse, on obtient l'inégalité de contraction :
5
∣un+1−3∣≤31∣un−3∣
6
Par récurrence immédiate, on déduit pour tout n∈N :
7
∣un−3∣≤(31)n∣u0−3∣=3(31)n
8
Comme ∣31∣<1, on a limn→+∞(31)n=0. Par le théorème des gendarmes, limn→+∞∣un−3∣=0, donc limn→+∞un=3.
Exemple travaillé · 41
Soit la suite (un) définie par u0=4 et un+1=un4un−3. On a démontré que pour tout n∈N, un≥3. Établir que un+1−3≤31(un−3) et en déduire la limite de (un).
1
On met au même dénominateur l'écart au point fixe 3 :
2
un+1−3=un4un−3−3un=unun−3=un1(un−3)
3
Comme un≥3, on a un1≤31. Comme un−3≥0, la multiplication conserve l'ordre :
4
un+1−3≤31(un−3)
5
Par récurrence, on obtient pour tout entier naturel n :
6
0≤un−3≤(31)n(u0−3)=(31)n(4−3)=(31)n
7
Comme limn→+∞(31)n=0, le théorème des gendarmes entraîne limn→+∞(un−3)=0, d'où limn→+∞un=3.
Piège classique · 42
Pour une suite (un), on a démontré que pour tout n∈N : ∣un+1−2∣≤34∣un−2∣. Que permet de conclure cette inégalité sur la convergence de (un) ?
Attention
Conclure que la suite converge vers 2 ou qu'elle diverge vers l'infini en appliquant la formule géométrique.
À la place : Le facteur k=34 est strictement supérieur à 1. Le majorant géométrique (34)n∣u0−2∣ tend vers +∞. Savoir qu'un terme est inférieur à une grandeur infinie n'apporte aucune borne exploitable : cette majoration ne permet rien de conclure.
Piège classique · 43
Une suite (un) vérifie ∣un+1−3∣≤21∣un−3∣ uniquement à partir du rang n=2. Quelle est l'expression du majorant géométrique de ∣un−3∣ pour tout n≥2 ?
Attention
Conserver l'exposant n et le terme initial u0 en écrivant ∣un−3∣≤(21)n∣u0−3∣.
À la place : L'inégalité n'étant vraie qu'à partir de n=2, l'itération démarre au terme ∣u2−3∣. Le nombre de facteurs 21 accumulés du rang 2 au rang n est n−2. L'encadrement correct est ∣un−3∣≤(21)n−2∣u2−3∣.
Vérification · 44
Soit une suite (un) vérifiant pour tout n∈N l'inégalité ∣un−5∣≤4(32)n. Quelle est la limite de (un) quand n→+∞ ?
Remarque
Comme ∣32∣<1, on a limn→+∞(32)n=0, donc limn→+∞4(32)n=0. D'après le théorème des gendarmes, limn→+∞∣un−5∣=0, ce qui équivaut à limn→+∞un=5.