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Suites réelles — cours

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

Le cours

Rappel · 1

Une suite (un)(u_n) est dite majorée par un réel MM lorsque :

Remarque

Une suite est majorée si aucun terme ne dépasse la constante MM (unMu_n \le M pour tout nn). Elle est croissante si chaque terme est supérieur ou égal au précédent (un+1unu_{n+1} \ge u_n).

Point de départ · 2

Une suite (un)(u_n) monte à chaque étape (un+1unu_{n+1} \ge u_n) sans jamais dépasser le plafond 55 (un5u_n \le 5). Peut-elle osciller indéfiniment sans se stabiliser ?

Remarque

Comme la suite ne redescend jamais et reste bloquée sous 55, 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.\text{Toute suite réelle croissante et majorée est convergente.}

Toute suite reˊelle deˊcroissante et minoreˊe est convergente.\text{Toute suite réelle décroissante et minorée est convergente.}

Remarque

Ce théorème garantit l'existence d'une limite finie ll, sans fournir directement sa valeur numérique.

Exemple travaillé · 4

Soit la suite (un)(u_n) définie sur N\mathbb{N} par un=51n+1u_n = 5 - \frac{1}{n+1}. Démontrer que (un)(u_n) converge en utilisant le théorème de convergence monotone.

1

On évalue la différence entre deux termes consécutifs pour étudier la monotonie :

2
un+1un=(51n+2)(51n+1)=1n+11n+2=1(n+1)(n+2)u_{n+1} - u_n = \left(5 - \frac{1}{n+2}\right) - \left(5 - \frac{1}{n+1}\right) = \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+2} = \frac{1}{(n+1)(n+2)}
3

Pour tout nNn \in \mathbb{N}, 1(n+1)(n+2)>0\frac{1}{(n+1)(n+2)} > 0, donc un+1>unu_{n+1} > u_n : la suite (un)(u_n) est strictement croissante.

4

Pour tout nNn \in \mathbb{N}, 1n+1>0\frac{1}{n+1} > 0, d'où un=51n+1<5u_n = 5 - \frac{1}{n+1} < 5 : la suite (un)(u_n) est majorée par 55.

5

La suite (un)(u_n) est croissante et majorée : d'après le théorème de convergence monotone, elle converge vers une limite réelle finie ll (ici limn+un=5\lim_{n \to +\infty} u_n = 5).

Exemple travaillé · 5

Soit la suite (un)(u_n) définie sur N\mathbb{N} par u0=4u_0 = 4 et un+1=12un+1u_{n+1} = \frac{1}{2}u_n + 1. Démontrer que (un)(u_n) est convergente.

1

On montre par récurrence que pour tout nNn \in \mathbb{N}, un2u_n \ge 2 :

2
u0=42et siun2    un+1=12un+112(2)+1=2u_0 = 4 \ge 2 \quad \text{et si} \quad u_n \ge 2 \implies u_{n+1} = \frac{1}{2}u_n + 1 \ge \frac{1}{2}(2) + 1 = 2
3

On étudie ensuite le signe de la différence entre deux termes consécutifs :

4
un+1un=12un+1un=112un=2un2u_{n+1} - u_n = \frac{1}{2}u_n + 1 - u_n = 1 - \frac{1}{2}u_n = \frac{2 - u_n}{2}
5

Comme un2u_n \ge 2 pour tout nn, on a 2un02 - u_n \le 0, d'où un+1un0u_{n+1} - u_n \le 0 : la suite (un)(u_n) est décroissante.

6

La suite (un)(u_n) est décroissante et minorée par 22 : par le théorème de convergence monotone, elle converge vers une limite réelle ll.

Piège classique · 6

Une suite (un)(u_n) est croissante et majorée par 1010. Peut-on affirmer que limn+un=10\lim_{n \to +\infty} u_n = 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=31n+1u_n = 3 - \frac{1}{n+1} est majorée par 1010, mais converge vers 33. Le théorème garantit seulement limn+un10\lim_{n \to +\infty} u_n \le 10.

Piège classique · 7

Pour une suite (un)(u_n), on constate que limn+(un+1un)=0\lim_{n \to +\infty} (u_{n+1} - u_n) = 0. Cela prouve-t-il que (un)(u_n) converge ?

Attention

Conclure qu'une suite converge du seul fait que l'écart consécutif un+1unu_{n+1} - u_n tend vers 00.

À la place : Des pas qui diminuent peuvent s'accumuler indéfiniment : pour la somme harmonique un=1+12++1nu_n = 1 + \frac{1}{2} + \dots + \frac{1}{n}, on a bien un+1un=1n+10u_{n+1} - u_n = \frac{1}{n+1} \to 0, pourtant limn+un=+\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty. Sans majorant, la suite peut diverger.

Vérification · 8

Soit une suite (vn)(v_n) vérifiant pour tout nNn \in \mathbb{N} : vn+1vn=n23nv_{n+1} - v_n = \frac{-n^2}{3^n} et vn0v_n \ge 0. Que déduit-on immédiatement ?

Remarque

Pour tout nNn \in \mathbb{N}, vn+1vn0v_{n+1} - v_n \le 0, donc (vn)(v_n) est décroissante. Comme elle est minorée par 00, le théorème de convergence monotone garantit qu'elle converge vers un réel fini l0l \ge 0 (qui n'est pas obligatoirement 00).

Rappel · 9

Pour tout entier naturel nn, quel est l'encadrement fondamental vérifié par cos(n)\cos(n) ?

Remarque

La fonction cosinus (comme la fonction sinus) prend toutes ses valeurs dans l'intervalle [1;1][-1 ; 1]. Pour tout nNn \in \mathbb{N}, on a toujours 1cos(n)1-1 \le \cos(n) \le 1.

Point de départ · 10

La suite définie par un=cos(n)nu_n = \frac{\cos(n)}{n} pour n1n \ge 1 possède un numérateur qui oscille sans fin entre 1-1 et 11. Peut-elle quand même converger ?

Remarque

Même si cos(n)\cos(n) oscille indéfiniment, les bornes fixes 1-1 et 11 divisées par nn tendent toutes deux vers 00. Le terme est écrasé en étau : c'est le principe du théorème des gendarmes.

Définition · 11

Théorème des gendarmes et comparaison

Si vnunwn et limn+vn=limn+wn=l, alors limn+un=l.\text{Si } v_n \le u_n \le w_n \text{ et } \lim_{n \to +\infty} v_n = \lim_{n \to +\infty} w_n = l \text{, alors } \lim_{n \to +\infty} u_n = l.

Si unvn et limn+vn=+, alors limn+un=+.\text{Si } u_n \ge v_n \text{ et } \lim_{n \to +\infty} v_n = +\infty \text{, alors } \lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty.

Remarque

Le théorème des gendarmes s'applique exclusivement pour encadrer une limite finie ll. Pour pousser une suite vers ++\infty, une seule minoration unvnu_n \ge v_n suffit.

Exemple travaillé · 12

Soit la suite (tn)(t_n) définie sur N\mathbb{N}^* par tn=3n+cos(n)2nt_n = \frac{3n + \cos(n)}{2n}. Démontrer que (tn)(t_n) est convergente et déterminer sa limite.

1

On encadre le terme trigonométrique oscillant pour tout nNn \in \mathbb{N}^* :

2
1cos(n)1-1 \le \cos(n) \le 1
3

On ajoute 3n3n à chaque membre de l'inégalité :

4
3n13n+cos(n)3n+13n - 1 \le 3n + \cos(n) \le 3n + 1
5

Comme 2n>02n > 0, on divise par 2n2n en conservant le sens des inégalités :

6
3n12ntn3n+12n\frac{3n - 1}{2n} \le t_n \le \frac{3n + 1}{2n}
7

On évalue la limite des deux suites encadrantes :

8
limn+3n12n=32etlimn+3n+12n=32\lim_{n \to +\infty} \frac{3n - 1}{2n} = \frac{3}{2} \quad \text{et} \quad \lim_{n \to +\infty} \frac{3n + 1}{2n} = \frac{3}{2}
9

D'après le théorème des gendarmes, la suite (tn)(t_n) converge et sa limite est limn+tn=32\lim_{n \to +\infty} t_n = \frac{3}{2}.

Exemple travaillé · 13

Soit la suite (Un)(U_n) définie sur N\mathbb{N}^* par Un=k=1nnn2+kU_n = \sum_{k=1}^n \frac{n}{n^2+k}. Démontrer que (Un)(U_n) converge et calculer sa limite.

1

Pour tout entier kk tel que 1kn1 \le k \le n, on encadre le dénominateur variable :

2
n2+1n2+kn2+nn^2 + 1 \le n^2 + k \le n^2 + n
3

Par passage à l'inverse sur les réels strictement positifs, puis multiplication par n>0n > 0 :

4
nn2+nnn2+knn2+1\frac{n}{n^2 + n} \le \frac{n}{n^2 + k} \le \frac{n}{n^2 + 1}
5

On somme ces nn inégalités pour kk allant de 11 à nn :

6
n×nn2+nUnn×nn2+1    n2n2+nUnn2n2+1n \times \frac{n}{n^2 + n} \le U_n \le n \times \frac{n}{n^2 + 1} \iff \frac{n^2}{n^2 + n} \le U_n \le \frac{n^2}{n^2 + 1}
7

On calcule les limites asymptotiques des deux bornes rationnelles :

8
limn+n2n2+n=1etlimn+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
9

Les bornes convergeant vers 11, le théorème des gendarmes assure que limn+Un=1\lim_{n \to +\infty} U_n = 1.

Piège classique · 14

Dans la somme Un=k=1nnn2+kU_n = \sum_{k=1}^n \frac{n}{n^2+k}, chaque terme individuel tend vers 00 quand n+n \to +\infty. Peut-on en déduire que limn+Un=0\lim_{n \to +\infty} U_n = 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 nn termes : leur accumulation compense leur petitesse et donne une limite égale à 11. Il faut obligatoirement encadrer la somme globale.

Piège classique · 15

Soit la suite définie par un=n+cos(n)u_n = n + \cos(n). Pour prouver que limn+un=+\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty, quelle démarche est correcte ?

Attention

Utiliser un encadrement bilatéral n1unn+1n - 1 \le u_n \le 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 ++\infty, une seule minoration suffit : pour tout nn, unn1u_n \ge n - 1. Comme limn+(n1)=+\lim_{n \to +\infty} (n - 1) = +\infty, le théorème de comparaison donne directement limn+un=+\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty.

Vérification · 16

Soit la suite (wn)(w_n) définie pour tout n1n \ge 1 par wn=k=1n1n2+kw_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{n^2+k}}. Quelle est la limite de (wn)(w_n) en ++\infty ?

Remarque

Pour tout 1kn1 \le k \le n, on a 1n2+n1n2+k1n2+1\frac{1}{\sqrt{n^2+n}} \le \frac{1}{\sqrt{n^2+k}} \le \frac{1}{\sqrt{n^2+1}}. En sommant ces nn inégalités : nn2+nwnnn2+1\frac{n}{\sqrt{n^2+n}} \le w_n \le \frac{n}{\sqrt{n^2+1}}. Les deux bornes tendent vers 11 (en factorisant par nn). D'après le théorème des gendarmes, limn+wn=1\lim_{n \to +\infty} w_n = 1.

Point de départ · 17

Si une suite récurrente vérifiant un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) converge vers un réel ll, et si la fonction ff est continue, quelle relation mathématique relie nécessairement la limite ll et la fonction ff ?

Remarque

Par décalage d'indice, limun+1=l\lim u_{n+1} = l. Par continuité de ff, limf(un)=f(l)\lim f(u_n) = f(l). Comme un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) pour tout nn, les deux limites sont égales : on a impérativement f(l)=lf(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 unI.\text{Soit } f \text{ une fonction continue sur un intervalle } I \text{ et } (u_n) \text{ une suite vérifiant } u_{n+1} = f(u_n) \text{ avec } u_n \in I.

Si (un) converge vers un reˊel lI, alors f(l)=l.\text{Si } (u_n) \text{ converge vers un réel } l \in I \text{, alors } f(l) = l.

Remarque

La continuité de ff en ll est indispensable. De plus, les bornes de la suite se transmettent à la limite : si pour tout nn, unmu_n \ge m, alors lml \ge m ; si unMu_n \le M, alors lMl \le M.

Exemple travaillé · 19

Soit la suite (un)(u_n) définie sur N\mathbb{N} par u0=1u_0 = 1 et un+1=un+2u_{n+1} = \sqrt{u_n + 2}. Sachant que pour tout nNn \in \mathbb{N}, un>0u_n > 0 et que (un)(u_n) converge vers un réel ll, calculer la valeur exacte de ll.

1

La fonction f:xx+2f : x \mapsto \sqrt{x+2} est continue sur l'intervalle [0;+[[0 ; +\infty[ qui contient tous les termes de la suite.

2

D'après le théorème du point fixe, la limite ll est solution de f(l)=lf(l) = l :

3
l+2=l    l+2=l2    l2l2=0\sqrt{l + 2} = l \iff l + 2 = l^2 \iff l^2 - l - 2 = 0
4

L'équation polynomiale admet deux solutions réelles : l=2l = 2 et l=1l = -1.

5

Comme un>0u_n > 0 pour tout entier nn, par passage à la limite on a l0l \ge 0. La racine négative 1-1 est donc rejetée.

6
limn+un=2\lim_{n \to +\infty} u_n = 2

Exemple travaillé · 20

Soit la suite (un)(u_n) définie sur N\mathbb{N} par u0=4u_0 = 4 et un+1=4un3unu_{n+1} = \frac{4u_n - 3}{u_n}. On a démontré que pour tout nNn \in \mathbb{N}, un3u_n \ge 3 et que (un)(u_n) converge vers un réel ll. Déterminer ll.

1

La fonction f:x4x3xf : x \mapsto \frac{4x - 3}{x} est continue sur [3;+[[3 ; +\infty[. D'après le théorème du point fixe, ll vérifie f(l)=lf(l) = l :

2
4l3l=l    4l3=l2    l24l+3=0\frac{4l - 3}{l} = l \iff 4l - 3 = l^2 \iff l^2 - 4l + 3 = 0
3

On factorise le trinôme : (l1)(l3)=0(l - 1)(l - 3) = 0. On obtient deux racines strictement positives : l=1l = 1 et l=3l = 3.

4

Comme pour tout nNn \in \mathbb{N}, un3u_n \ge 3, le passage à la limite impose l3l \ge 3.

5

La racine 1<31 < 3 est exclue par la minoration. On conclut que limn+un=3\lim_{n \to +\infty} u_n = 3.

Piège classique · 21

Une suite (un)(u_n) vérifie pour tout nNn \in \mathbb{N} l'encadrement 14un12\frac{1}{4} \le u_n \le \frac{1}{2} et converge vers un réel ll. Elle vérifie un+1=un2+316u_{n+1} = u_n^2 + \frac{3}{16}. L'équation x2+316=xx^2 + \frac{3}{16} = x a pour solutions 14\frac{1}{4} et 34\frac{3}{4}. Quelle est la limite ll ?

Attention

Choisir la solution 34\frac{3}{4} 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 [14;12][\frac{1}{4} ; \frac{1}{2}]. Par passage à la limite dans l'encadrement, on a obligatoirement 14l12\frac{1}{4} \le l \le \frac{1}{2}. La valeur 34\frac{3}{4} est strictement supérieure à 12\frac{1}{2}, elle est donc impossible. L'unique limite admissible est l=14l = \frac{1}{4}.

Piège classique · 22

Soit la suite récurrente définie par u0=4u_0 = 4 et un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n)f(x)=12x+1f(x) = \frac{1}{2}x + 1. La fonction ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}. Peut-on en déduire que la suite (un)(u_n) est croissante ?

Attention

Affirmer que la suite (un)(u_n) est croissante au motif que la fonction associée ff est croissante.

À la place : La croissance de ff garantit seulement que la suite est monotone, mais son sens dépend de la comparaison entre u0u_0 et u1u_1. Ici, u0=4u_0 = 4 et u1=12(4)+1=3u_1 = \frac{1}{2}(4) + 1 = 3. Comme u1<u0u_1 < u_0, la suite (un)(u_n) est strictement décroissante, bien que ff soit strictement croissante.

Vérification · 23

Soit la suite (un)(u_n) définie par u0=3u_0 = 3 et un+1=un+1u_{n+1} = \sqrt{u_n + 1}. Sachant que (un)(u_n) est strictement décroissante et minorée par 00, elle converge vers un réel ll. Les solutions de l'équation x=x+1x = \sqrt{x+1} sont 152\frac{1 - \sqrt{5}}{2} et 1+52\frac{1 + \sqrt{5}}{2}. Quelle est la limite exacte de (un)(u_n) ?

Remarque

La fonction racine carrée est continue. Comme un0u_n \ge 0 pour tout nn, la limite vérifie l0l \ge 0. Or 5>1\sqrt{5} > 1, donc 152<0\frac{1-\sqrt{5}}{2} < 0. La solution négative est rejetée, ce qui donne limn+un=1+52\lim_{n \to +\infty} u_n = \frac{1+\sqrt{5}}{2}.

Point de départ · 24

On observe deux suites (un)(u_n) et (vn)(v_n) : (un)(u_n) monte (un+1unu_{n+1} \ge u_n), (vn)(v_n) descend (vn+1vnv_{n+1} \le v_n), et pour tout nn, unvnu_n \le v_n. Si l'écart vnunv_n - u_n tend vers 00 à l'infini, que peut-on affirmer sur leurs limites respectives ?

Remarque

Comme (un)(u_n) est croissante et majorée par v0v_0, elle converge. Comme (vn)(v_n) est décroissante et minorée par u0u_0, 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)n0 et (vn)n0 sont dites adjacentes lorsque :\text{Deux suites } (u_n)_{n \ge 0} \text{ et } (v_n)_{n \ge 0} \text{ sont dites adjacentes lorsque :}

nN,  unvn\forall n \in \mathbb{N}, \; u_n \le v_n
(un) est croissante et (vn) est deˊcroissante(u_n) \text{ est croissante et } (v_n) \text{ est décroissante}
limn+(vnun)=0\lim_{n \to +\infty} (v_n - u_n) = 0

Théorème : Deux suites adjacentes sont convergentes et admettent la même limite finie ll.

Remarque

Propriété fondamentale : pour tous entiers pp et qq, on a upvqu_p \le v_q. En particulier, pour tout nn, unlvnu_n \le l \le v_n.

Exemple travaillé · 26

Soient les suites (un)(u_n) et (vn)(v_n) définies par u0=0u_0 = 0, v0=12v_0 = 12, et pour tout nNn \in \mathbb{N} : un+1=un+vn2u_{n+1} = \frac{u_n + v_n}{2} et vn+1=un+2vn3v_{n+1} = \frac{u_n + 2v_n}{3}. Démontrer que (un)(u_n) et (vn)(v_n) sont adjacentes.

1

On pose wn=vnunw_n = v_n - u_n et on exprime wn+1w_{n+1} en fonction de wnw_n :

2
wn+1=un+2vn3un+vn2=2(un+2vn)3(un+vn)6=vnun6=16wnw_{n+1} = \frac{u_n + 2v_n}{3} - \frac{u_n + v_n}{2} = \frac{2(u_n + 2v_n) - 3(u_n + v_n)}{6} = \frac{v_n - u_n}{6} = \frac{1}{6}w_n
3

(wn)(w_n) est une suite géométrique de raison 16\frac{1}{6} et de premier terme w0=120=12w_0 = 12 - 0 = 12 :

4
wn=12(16)nw_n = 12 \left(\frac{1}{6}\right)^n
5

Comme w0>0w_0 > 0 et 16>0\frac{1}{6} > 0, pour tout nNn \in \mathbb{N}, wn>0w_n > 0, donc un<vnu_n < v_n. De plus, comme 16<1|\frac{1}{6}| < 1, limn+(vnun)=0\lim_{n \to +\infty} (v_n - u_n) = 0.

6

On étudie la monotonie de chaque suite :

7
un+1un=vnun2=wn2>0    (un) est strictement croissanteu_{n+1} - u_n = \frac{v_n - u_n}{2} = \frac{w_n}{2} > 0 \implies (u_n) \text{ est strictement croissante}
8
vn+1vn=unvn3=wn3<0    (vn) est strictement deˊcroissantev_{n+1} - v_n = \frac{u_n - v_n}{3} = -\frac{w_n}{3} < 0 \implies (v_n) \text{ est strictement décroissante}
9

Les trois conditions sont réunies : (un)(u_n) et (vn)(v_n) sont adjacentes et convergent vers une même limite.

Exemple travaillé · 27

Soit la suite (Sn)(S_n) définie pour tout n1n \ge 1 par Sn=k=1n1k2S_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k^2}, et la suite (wn)(w_n) définie par wn=Sn+1nw_n = S_n + \frac{1}{n}. Démontrer que (Sn)(S_n) et (wn)(w_n) sont adjacentes.

1

On détermine le sens de variation de (Sn)(S_n) pour n1n \ge 1 :

2
Sn+1Sn=1(n+1)2>0S_{n+1} - S_n = \frac{1}{(n+1)^2} > 0
3

La suite (Sn)(S_n) est donc strictement croissante.

4

On étudie ensuite les variations de (wn)(w_n) :

5
wn+1wn=(Sn+1Sn)+1n+11n=1(n+1)21n(n+1)w_{n+1} - w_n = (S_{n+1} - S_n) + \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n} = \frac{1}{(n+1)^2} - \frac{1}{n(n+1)}
6
wn+1wn=n(n+1)n(n+1)2=1n(n+1)2<0w_{n+1} - w_n = \frac{n - (n+1)}{n(n+1)^2} = \frac{-1}{n(n+1)^2} < 0
7

La suite (wn)(w_n) est donc strictement décroissante.

8

On examine la différence entre les deux suites :

9
wnSn=1n>0etlimn+(wnSn)=limn+1n=0w_n - S_n = \frac{1}{n} > 0 \quad \text{et} \quad \lim_{n \to +\infty} (w_n - S_n) = \lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} = 0
10

(Sn)(S_n) est croissante, (wn)(w_n) est décroissante, et lim(wnSn)=0\lim(w_n - S_n) = 0 : les suites (Sn)(S_n) et (wn)(w_n) sont adjacentes.

Piège classique · 28

Soient les suites définies pour n1n \ge 1 par un=11nu_n = 1 - \frac{1}{n} et vn=3+1nv_n = 3 + \frac{1}{n}. On constate que (un)(u_n) est croissante, que (vn)(v_n) est décroissante, et que unvnu_n \le v_n pour tout nn. Les suites sont-elles adjacentes ?

Attention

Déclarer deux suites adjacentes dès qu'elles sont monotones de sens contraires et vérifient unvnu_n \le v_n.

À la place : La condition lim(vnun)=0\lim(v_n - u_n) = 0 est indispensable. Ici, limn+(vnun)=31=20\lim_{n \to +\infty} (v_n - u_n) = 3 - 1 = 2 \ne 0 : les suites s'approchent mais restent séparées par un écart non nul, elles ne sont pas adjacentes.

Piège classique · 29

Si (un)(u_n) et (vn)(v_n) sont deux suites adjacentes avec (un)(u_n) croissante et (vn)(v_n) décroissante, que peut-on dire de la comparaison entre u100u_{100} et v2v_2 ?

Attention

Penser que l'inégalité unvnu_n \le v_n ne s'applique qu'au même indice nn, 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 pp et qq, on a upvqu_p \le v_q. En intercalant leur limite commune ll, on a uplvqu_p \le l \le v_q, donc en particulier u100v2u_{100} \le v_2.

Vérification · 30

Soient (un)(u_n) et (vn)(v_n) deux suites adjacentes de limite commune ll, avec (un)(u_n) croissante et (vn)(v_n) décroissante. On donne u4=1,41u_4 = 1{,}41 et v4=1,42v_4 = 1{,}42. Quel encadrement certain obtient-on pour ll ?

Remarque

Comme (un)(u_n) croît vers ll et (vn)(v_n) décroît vers ll, la limite ll est comprise entre les termes de même rang : pour tout entier nn, unlvnu_n \le l \le v_n. On a donc avec certitude 1,41l1,421{,}41 \le l \le 1{,}42.

Point de départ · 31

On considère la suite alternée définie pour tout nNn \in \mathbb{N} par un=(1)n+1n+1u_n = (-1)^n + \frac{1}{n+1}. Que constate-t-on si l'on sépare les indices pairs (n=2pn=2p) et les indices impairs (n=2p+1n=2p+1) ?

Remarque

En séparant les indices selon leur parité, le terme oscillant (1)n(-1)^n devient constant : u2p=1+12p+11u_{2p} = 1 + \frac{1}{2p+1} \to 1 et u2p+1=1+12p+21u_{2p+1} = -1 + \frac{1}{2p+2} \to -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    limn+u2n=letlimn+u2n+1=l\text{Une suite } (u_n) \text{ converge vers un réel } l \iff \lim_{n \to +\infty} u_{2n} = l \quad \text{et} \quad \lim_{n \to +\infty} u_{2n+1} = l

Si les sous-suites (u2n)(u_{2n}) et (u2n+1)(u_{2n+1}) convergent vers deux limites réelles distinctes (l1l2l_1 \ne l_2), ou si l'une d'elles n'admet pas de limite, alors la suite (un)(u_n) 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)(u_n) définie pour tout n1n \ge 1 par un=cos(nπ)2n+(1)nu_n = \frac{\cos(n\pi)}{2n + (-1)^n}. Démontrer que (un)(u_n) est convergente et déterminer sa limite.

1

On évalue la sous-suite des termes de rang pair en remplaçant nn par 2n2n (avec cos(2nπ)=1\cos(2n\pi) = 1 et (1)2n=1(-1)^{2n} = 1) :

2
u2n=cos(2nπ)2(2n)+(1)2n=14n+1u_{2n} = \frac{\cos(2n\pi)}{2(2n) + (-1)^{2n}} = \frac{1}{4n + 1}
3

Comme limn+(4n+1)=+\lim_{n \to +\infty} (4n + 1) = +\infty, on obtient limn+u2n=0\lim_{n \to +\infty} u_{2n} = 0.

4

On évalue la sous-suite des termes de rang impair en remplaçant nn par 2n+12n+1 (avec cos((2n+1)π)=1\cos((2n+1)\pi) = -1 et (1)2n+1=1(-1)^{2n+1} = -1) :

5
u2n+1=cos((2n+1)π)2(2n+1)+(1)2n+1=14n+21=14n+1u_{2n+1} = \frac{\cos((2n+1)\pi)}{2(2n+1) + (-1)^{2n+1}} = \frac{-1}{4n + 2 - 1} = \frac{-1}{4n + 1}
6

On en déduit immédiatement que limn+u2n+1=0\lim_{n \to +\infty} u_{2n+1} = 0.

7

Les deux sous-suites (u2n)(u_{2n}) et (u2n+1)(u_{2n+1}) convergent vers la même limite 00 : d'après le théorème des sous-suites, (un)(u_n) converge et limn+un=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0.

Exemple travaillé · 34

Démontrer que la suite (vn)(v_n) définie pour tout nNn \in \mathbb{N} par vn=(1)n+2n+1v_n = (-1)^n + \frac{2}{n+1} n'admet pas de limite.

1

On détermine la limite de la sous-suite des termes d'indices pairs :

2
v2n=(1)2n+22n+1=1+22n+1    limn+v2n=1v_{2n} = (-1)^{2n} + \frac{2}{2n+1} = 1 + \frac{2}{2n+1} \implies \lim_{n \to +\infty} v_{2n} = 1
3

On détermine la limite de la sous-suite des termes d'indices impairs :

4
v2n+1=(1)2n+1+22n+2=1+1n+1    limn+v2n+1=1v_{2n+1} = (-1)^{2n+1} + \frac{2}{2n+2} = -1 + \frac{1}{n+1} \implies \lim_{n \to +\infty} v_{2n+1} = -1
5

Les sous-suites (v2n)(v_{2n}) et (v2n+1)(v_{2n+1}) convergent vers deux réels distincts (111 \ne -1) : la suite globale (vn)(v_n) n'admet pas de limite et diverge.

Piège classique · 35

Soit la suite définie par un=(1)nu_n = (-1)^n. Un élève affirme : « Comme la suite oscille symétriquement entre 1-1 et 11, sa limite en ++\infty est la moyenne des deux extrêmes, soit 00. » 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=11u_{2n} = 1 \to 1 et u2n+1=11u_{2n+1} = -1 \to -1. Comme 111 \ne -1, la suite (un)(u_n) ne se stabilise pas : elle n'admet aucune limite et diverge.

Piège classique · 36

Soit une suite récurrente définie par un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n), où ff est une fonction strictement décroissante. Peut-on démontrer que la suite globale (un)(u_n) est monotone ?

Attention

Tenter d'établir la monotonie globale d'une suite un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) lorsque ff est strictement décroissante.

À la place : Comme ff est décroissante, elle inverse l'ordre à chaque étape : si u0u1u_0 \le u_1, alors f(u0)f(u1)f(u_0) \ge f(u_1), c'est-à-dire u1u2u_1 \ge u_2, puis u2u3u_2 \le u_3. La suite globale oscille autour de son équilibre. Ce sont les sous-suites (u2n)(u_{2n}) et (u2n+1)(u_{2n+1}), régies par la fonction composée fff \circ f (qui est croissante), qui sont monotones.

Vérification · 37

Soit la suite (wn)(w_n) définie sur N\mathbb{N} par wn=2n+(1)nn+1w_n = \frac{2n + (-1)^n}{n+1}. La suite (wn)(w_n) est-elle convergente ?

Remarque

On évalue les deux sous-suites : pour les pairs, w2n=4n+12n+12w_{2n} = \frac{4n + 1}{2n + 1} \to 2. Pour les impairs, w2n+1=2(2n+1)1(2n+1)+1=4n+12n+22w_{2n+1} = \frac{2(2n+1) - 1}{(2n+1) + 1} = \frac{4n + 1}{2n + 2} \to 2. Les deux sous-suites convergeant vers la même limite 22, le théorème assure que (wn)(w_n) converge et que limn+wn=2\lim_{n \to +\infty} w_n = 2.

Point de départ · 38

À chaque étape d'un calcul itératif, la distance entre unu_n et une cible fixe ll est au moins divisée par deux : un+1l12unl|u_{n+1} - l| \le \frac{1}{2}|u_n - l|. Que devient cet écart après nn répétitions ?

Remarque

À chaque pas, l'erreur résiduelle est multipliée par un coefficient inférieur à 11. Au bout de nn étapes, l'écart est dominé par (12)n\left(\frac{1}{2}\right)^n, une quantité géométrique qui s'écrase inévitablement vers 00.

Définition · 39

Majoration géométrique et convergence

Soit (un) une suite reˊelle, lR et k]0;1[.\text{Soit } (u_n) \text{ une suite réelle, } l \in \mathbb{R} \text{ et } k \in ]0 ; 1[.

S’il existe un rang n0 tel que pour tout nn0,  un+1lkunl\text{S'il existe un rang } n_0 \text{ tel que pour tout } n \ge n_0, \; |u_{n+1} - l| \le k |u_n - l|

alors pour tout nn0,  unlknn0un0letlimn+un=l\text{alors pour tout } n \ge n_0, \; |u_n - l| \le k^{n - n_0} |u_{n_0} - l| \quad \text{et} \quad \lim_{n \to +\infty} u_n = l

Remarque

Puisque 0<k<10 < k < 1, la suite géométrique (kn)(k^n) converge vers 00. Par le théorème des gendarmes, limn+unl=0\lim_{n \to +\infty} |u_n - l| = 0, ce qui garantit la convergence de (un)(u_n) vers ll.

Exemple travaillé · 40

Soit la suite (un)(u_n) définie par u0=0u_0 = 0 et un+1=6+unu_{n+1} = \sqrt{6 + u_n}. Sachant que pour tout nNn \in \mathbb{N}, un0u_n \ge 0, prouver que pour tout nNn \in \mathbb{N}, un+1313un3|u_{n+1} - 3| \le \frac{1}{3}|u_n - 3| et déterminer limn+un\lim_{n \to +\infty} u_n.

1

On transforme la différence en multipliant par l'expression conjuguée :

2
un+13=6+un3=(6+un)96+un+3=un36+un+3|u_{n+1} - 3| = |\sqrt{6 + u_n} - 3| = \frac{|(6 + u_n) - 9|}{\sqrt{6 + u_n} + 3} = \frac{|u_n - 3|}{\sqrt{6 + u_n} + 3}
3

Comme un0u_n \ge 0, on a 6+un6>0\sqrt{6 + u_n} \ge \sqrt{6} > 0, d'où le dénominateur vérifie 6+un+33\sqrt{6 + u_n} + 3 \ge 3.

4

En passant à l'inverse, on obtient l'inégalité de contraction :

5
un+1313un3|u_{n+1} - 3| \le \frac{1}{3}|u_n - 3|
6

Par récurrence immédiate, on déduit pour tout nNn \in \mathbb{N} :

7
un3(13)nu03=3(13)n|u_n - 3| \le \left(\frac{1}{3}\right)^n |u_0 - 3| = 3 \left(\frac{1}{3}\right)^n
8

Comme 13<1|\frac{1}{3}| < 1, on a limn+(13)n=0\lim_{n \to +\infty} \left(\frac{1}{3}\right)^n = 0. Par le théorème des gendarmes, limn+un3=0\lim_{n \to +\infty} |u_n - 3| = 0, donc limn+un=3\lim_{n \to +\infty} u_n = 3.

Exemple travaillé · 41

Soit la suite (un)(u_n) définie par u0=4u_0 = 4 et un+1=4un3unu_{n+1} = \frac{4u_n - 3}{u_n}. On a démontré que pour tout nNn \in \mathbb{N}, un3u_n \ge 3. Établir que un+1313(un3)u_{n+1} - 3 \le \frac{1}{3}(u_n - 3) et en déduire la limite de (un)(u_n).

1

On met au même dénominateur l'écart au point fixe 33 :

2
un+13=4un33unun=un3un=1un(un3)u_{n+1} - 3 = \frac{4u_n - 3 - 3u_n}{u_n} = \frac{u_n - 3}{u_n} = \frac{1}{u_n}(u_n - 3)
3

Comme un3u_n \ge 3, on a 1un13\frac{1}{u_n} \le \frac{1}{3}. Comme un30u_n - 3 \ge 0, la multiplication conserve l'ordre :

4
un+1313(un3)u_{n+1} - 3 \le \frac{1}{3}(u_n - 3)
5

Par récurrence, on obtient pour tout entier naturel nn :

6
0un3(13)n(u03)=(13)n(43)=(13)n0 \le u_n - 3 \le \left(\frac{1}{3}\right)^n (u_0 - 3) = \left(\frac{1}{3}\right)^n (4 - 3) = \left(\frac{1}{3}\right)^n
7

Comme limn+(13)n=0\lim_{n \to +\infty} \left(\frac{1}{3}\right)^n = 0, le théorème des gendarmes entraîne limn+(un3)=0\lim_{n \to +\infty} (u_n - 3) = 0, d'où limn+un=3\lim_{n \to +\infty} u_n = 3.

Piège classique · 42

Pour une suite (un)(u_n), on a démontré que pour tout nNn \in \mathbb{N} : un+1243un2|u_{n+1} - 2| \le \frac{4}{3}|u_n - 2|. Que permet de conclure cette inégalité sur la convergence de (un)(u_n) ?

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=43k = \frac{4}{3} est strictement supérieur à 11. Le majorant géométrique (43)nu02\left(\frac{4}{3}\right)^n |u_0 - 2| tend vers ++\infty. 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)(u_n) vérifie un+1312un3|u_{n+1} - 3| \le \frac{1}{2}|u_n - 3| uniquement à partir du rang n=2n = 2. Quelle est l'expression du majorant géométrique de un3|u_n - 3| pour tout n2n \ge 2 ?

Attention

Conserver l'exposant nn et le terme initial u0u_0 en écrivant un3(12)nu03|u_n - 3| \le \left(\frac{1}{2}\right)^n |u_0 - 3|.

À la place : L'inégalité n'étant vraie qu'à partir de n=2n = 2, l'itération démarre au terme u23|u_2 - 3|. Le nombre de facteurs 12\frac{1}{2} accumulés du rang 22 au rang nn est n2n - 2. L'encadrement correct est un3(12)n2u23|u_n - 3| \le \left(\frac{1}{2}\right)^{n-2} |u_2 - 3|.

Vérification · 44

Soit une suite (un)(u_n) vérifiant pour tout nNn \in \mathbb{N} l'inégalité un54(23)n|u_n - 5| \le 4 \left(\frac{2}{3}\right)^n. Quelle est la limite de (un)(u_n) quand n+n \to +\infty ?

Remarque

Comme 23<1|\frac{2}{3}| < 1, on a limn+(23)n=0\lim_{n \to +\infty} \left(\frac{2}{3}\right)^n = 0, donc limn+4(23)n=0\lim_{n \to +\infty} 4\left(\frac{2}{3}\right)^n = 0. D'après le théorème des gendarmes, limn+un5=0\lim_{n \to +\infty} |u_n - 5| = 0, ce qui équivaut à limn+un=5\lim_{n \to +\infty} u_n = 5.

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