Suites numériques
Limite d'une suite, limites usuelles, théorèmes de comparaison, convergence monotone, suites récurrentes u(n+1)=f(u(n)) et point fixe, suites arithmético-géométriques, suites adjacentes.
المتتاليات العددية : نهاية متتالية، النهايات الاعتيادية، مبرهنات المقارنة، تقارب المتتاليات الرتيبة، المتتاليات الترجعية والنقطة الثابتة، المتتاليات الحسابية الهندسية والمتتاليات المتجاورة.
Le cours
Le cours complet, tel qu'il est dans le PDF : définitions, théorèmes, propriétés, exemples et démonstrations (repliées, clique pour les lire).
Rappels de première
- arithmétique de raison : , , et .
- géométrique de raison : , , et .
- est croissante si pour tout , décroissante si pour tout .
- est majorée par si pour tout , minorée par si pour tout , bornée si elle est majorée et minorée.
- Étudier le signe de .
- Si , comparer à .
- Si avec monotone sur , a la même monotonie que .
- Pour une suite récurrente, raisonner par récurrence (voir plus loin).
. Comme décroît, est croissante ; et : elle est bornée.
Limite d'une suite
Une suite tend vers L quand, pour n’importe quelle bande de largeur ε autour de L, tous les termes finissent par y rester à partir d’un certain rang. Réduis ε : le rang augmente, mais il existe toujours.
converge vers , noté , si tout intervalle ouvert contenant contient tous les termes à partir d'un certain rang :
Une suite qui ne converge pas diverge.
si tout intervalle contient tous les termes à partir d'un certain rang : . De même pour .
- Si une suite converge, sa limite est unique.
- Toute suite convergente est bornée. (La réciproque est fausse : est bornée et diverge.)
- Une suite croissante non majorée tend vers .
converge vers : pour , dès que . La suite diverge : ses termes valent alternativement et et ne peuvent s'approcher d'une seule valeur.
Limites usuelles et opérations
- , (), ;
- , ;
- suite géométrique : si ; si ; si ; pas de limite si .
Si et (fini ou infini), alors . Les techniques de calcul des limites de fonctions (terme dominant, quantité conjuguée, gendarmes) s'appliquent donc aux suites.
(termes dominants) ; (conjuguée) ; ; : .
Si et (réels) : , , si . Avec des limites infinies, les mêmes formes indéterminées qu'en fonctions apparaissent : , , , .
Théorèmes de comparaison
À partir d'un certain rang :
- si et , alors ;
- si et , alors ;
- si et , alors ;
- si et , alors .
: , donc . : , donc . : et la borne inférieure tend vers , donc .
(Inégalité de Bernoulli et limite de ) Pour , (récurrence). Si , on écrit : , donc . Si , alors et .
Convergence monotone
- Toute suite croissante et majorée converge.
- Toute suite décroissante et minorée converge.
- Toute suite croissante non majorée tend vers ; toute suite décroissante non minorée tend vers .
Attention : le théorème donne l'existence de la limite, pas sa valeur. Si est croissante et majorée par , on sait seulement que .
est croissante (on ajoute un terme positif) et l'on montre que : elle converge (vers , mais cela dépasse le programme).
Suites récurrentes du type
Pour u(n+1) = √(u(n) + 2) : on part de u₀ sur l’axe, on monte jusqu’à la courbe (on lit u₁), on revient sur la droite y = x pour reporter u₁ sur l’axe, et on recommence. L’escalier converge vers le point fixe, intersection de la courbe et de y = x, ici 2.
C'est le cœur de l'exercice de bac. On considère donné et avec continue sur un intervalle .
Si (on dit que est stable par ) et si , alors pour tout (récurrence immédiate). C'est ainsi que l'on prouve un encadrement du type .
- Si est croissante sur stable, la suite est monotone : croissante si , décroissante si (par récurrence : ).
- Autre méthode : étudier le signe de sur ; alors a le signe de .
Si converge vers et si est continue en , alors : la limite est un point fixe de .
Démonstration
; quand , et, par continuité de en , . Par unicité de la limite, .
- Calculer , ; conjecturer monotonie et limite.
- Montrer par récurrence que reste dans un intervalle stable (encadrement).
- Étudier la monotonie (récurrence avec croissante, ou signe de ).
- Conclure à la convergence par le théorème de la convergence monotone.
- Déterminer la limite : résoudre dans .
et , avec .
- , : on conjecture une suite croissante de limite .
- Encadrement. est stable : si , alors et . Par récurrence, pour tout .
- Monotonie. est croissante et ; par récurrence, si alors , soit . La suite est croissante.
- Convergence. Croissante et majorée par , elle converge vers avec , soit , d'où (la racine n'est pas dans ).
Suites arithmético-géométriques
Soit avec . Le point fixe est (solution de ). La suite est géométrique de raison : . Donc , et si , .
, . Point fixe : . est géométrique de raison et , donc et . Somme : .
Suites adjacentes
Deux suites et sont adjacentes si est croissante, est décroissante et .
Deux suites adjacentes convergent et ont la même limite , et pour tout : .
Démonstration
est décroissante (différence d'une décroissante et d'une croissante) et tend vers , donc : . Alors est croissante et majorée par , décroissante et minorée par : toutes deux convergent, et .
et () : croît, décroît, . Elles sont adjacentes et convergent vers . Les suites adjacentes servent à encadrer une limite inconnue avec une précision aussi petite que l'on veut.
Ce qu'il faut retenir
- Limite d'une suite : unique ; convergente bornée.
- si , si .
- Comparaison : gendarmes, ou .
- Convergence monotone : croissante + majorée (ou décroissante + minorée) converge.
- Suite récurrente : intervalle stable (récurrence), monotonie ( croissante ou signe de ), convergence, puis limite = point fixe .
- Arithmético-géométrique : est géométrique avec .
- Suites adjacentes : même limite, et .
Exercices type bac corrigés
5 exercices dans l'esprit des sujets de bac, avec correction détaillée. Cherche d'abord, puis ouvre la correction. La version PDF (mise en page complète) est dans les documents ci-dessous.
Monotonie, majoration et limite
Soit la suite définie pour par .
- Montrer que et en déduire que est majorée par .
- Étudier la monotonie de .
- Déterminer .
Voir la correction
- . Comme , on a .
- : la suite est strictement croissante.
- , donc .
Suite arithmético-géométrique
Soit définie par et .
- On pose . Montrer que est géométrique.
- Exprimer puis en fonction de , et calculer .
- Calculer .
Voir la correction
- : est géométrique de raison et de premier terme .
- , donc . Comme , et .
- .
Théorème des gendarmes et limites usuelles
Déterminer les limites des suites suivantes :
- ;
- (pour ) ;
- .
Voir la correction
- donne ; comme , le théorème des gendarmes donne .
- , donc .
- et car : .
Suite récurrente : convergence monotone
Soit définie par et .
- Montrer par récurrence que pour tout : .
- Montrer que est croissante.
- En déduire que converge et déterminer sa limite.
Voir la correction
- Initialisation : . Hérédité : si , alors , donc , en particulier .
- Comme : , vrai car .
- Croissante et majorée par , la suite converge vers une limite . La fonction étant continue, , soit , d'où (la racine est exclue).
Suites adjacentes
Soient et définies par , et, pour tout : et .
- Montrer que et en déduire en fonction de .
- Montrer que est croissante et décroissante.
- En déduire que et sont adjacentes.
- Montrer que la suite est constante et déterminer la limite commune de et .
Voir la correction
- . La suite est géométrique de raison : .
- et .
- croissante, décroissante et : les suites sont adjacentes, donc convergent vers une même limite .
- : la suite est constante, égale à . En passant à la limite, , donc .
Documents
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- 5 pagesCours completCours
- 1 pagesExercices d'applicationExercices
- 2 pagesCorrigés des exercicesSolutions
- 2 pagesExercices type bac corrigésExamen
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