Chapitre 1 · Analyse

Les suites numériques

On prolonge la classe de première (suites arithmétiques et géométriques, sens de variation) avec trois nouveautés : le raisonnement par récurrence, la notion de limite et les outils pour la calculer, et le théorème de convergence monotone.

Fiche S1

Le raisonnement par récurrence

Prouver qu’une propriété est vraie pour tous les entiers à partir d’un rang, en ne vérifiant que deux choses.

Programme : « Raisonner par récurrence pour établir une propriété d’une suite » · démonstration exigible : inégalité de Bernoulli

L’essentiel

Principe de récurrence
Soit $\mathcal P(n)$ une propriété qui dépend d’un entier naturel $n$, et $n_0$ un entier naturel.
  1. Initialisation : $\mathcal P(n_0)$ est vraie ;
  2. Hérédité : pour tout entier $n \geqslant n_0$, si $\mathcal P(n)$ est vraie, alors $\mathcal P(n+1)$ est vraie.
Conclusion : $\mathcal P(n)$ est vraie pour tout entier $n \geqslant n_0$.
L’image à retenir
Une file de dominos. Si on fait tomber le premier (initialisation) et si chaque domino qui tombe fait tomber le suivant (hérédité), alors tous tombent. Les deux conditions sont indispensables.
Piège
Dans l’hérédité, on suppose $\mathcal P(n)$ vraie pour un entier $n$ fixé (c’est l’hypothèse de récurrence), pas « pour tout $n$ » : ce serait supposer ce qu’on veut démontrer.

Je visualise

Méthode : rédiger une récurrence

Exemple rédigé
Soit $(u_n)$ définie par $u_0 = 4$ et $u_{n+1} = 2u_n - 3$. Montrons que, pour tout $n\in\mathbb N$, $u_n = 2^n + 3$.
  1. Nommer la propriété. Pour $n\in\mathbb N$, on note $\mathcal P(n)$ : « $u_n = 2^n+3$ ».
  2. Initialisation. $2^0 + 3 = 4 = u_0$, donc $\mathcal P(0)$ est vraie.
  3. Hérédité. Soit $n \in \mathbb N$ tel que $\mathcal P(n)$ est vraie, c’est-à-dire $u_n = 2^n+3$. Alors $u_{n+1} = 2u_n - 3 = 2(2^n+3) - 3 = 2^{n+1} + 3$. Donc $\mathcal P(n+1)$ est vraie.
  4. Conclusion. Par récurrence, pour tout $n\in\mathbb N$, $u_n = 2^n+3$.
L’hérédité seule ne prouve rien
La propriété « $10^n + 1$ est divisible par $9$ » est héréditaire : si $10^n+1 = 9k$, alors $10^{n+1} + 1 = 10(10^n+1) - 9 = 9(10k-1)$. Pourtant elle n’est vraie pour aucun entier : $2$, $11$, $101$, $1001$… ne sont pas des multiples de $9$. Il manque l’initialisation.
Inégalité de Bernoulli Démonstration au programme

Énoncé. Soit $a$ un réel positif. Pour tout entier naturel $n$ : $\;(1+a)^n \geqslant 1 + na$.

Initialisation. Pour $n = 0$ : $(1+a)^0 = 1$ et $1 + 0\times a = 1$. L’inégalité $1 \geqslant 1$ est vraie.

Hérédité. Soit $n\in\mathbb N$ tel que $(1+a)^n \geqslant 1+na$. Comme $1 + a > 0$, on peut multiplier les deux membres par $1+a$ sans changer le sens : $$(1+a)^{n+1} \geqslant (1+na)(1+a) = 1 + (n+1)a + na^2 \geqslant 1 + (n+1)a \quad\text{car } na^2 \geqslant 0.$$

Conclusion. Pour tout $n\in\mathbb N$, $(1+a)^n \geqslant 1 + na$. Elle sert dans la fiche S5 pour trouver la limite de $q^n$.

Je m’entraîne

Fiche S2

Limite d’une suite : les définitions

Comprendre ce que veut dire « $u_n$ tend vers $\ell$ » ou « $u_n$ tend vers $+\infty$ », et savoir chercher un seuil.

Programme : limite finie ou infinie d’une suite · algorithme : recherche de seuils

L’essentiel

Limite infinie
La suite $(u_n)$ tend vers $+\infty$ si tout intervalle de la forme $[A\,;+\infty[$ contient toutes les valeurs $u_n$ à partir d’un certain rang. On note $\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = +\infty$.
De même, $(u_n)$ tend vers $-\infty$ si tout intervalle $]-\infty\,;A]$ contient tous les $u_n$ à partir d’un certain rang.
Limite finie (convergence)
La suite $(u_n)$ converge vers le réel $\ell$ si tout intervalle ouvert contenant $\ell$ contient toutes les valeurs $u_n$ à partir d’un certain rang. On note $\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = \ell$. Cette limite, si elle existe, est unique.
Limites de référence
$\displaystyle\lim n = \lim n^2 = \lim n^k = \lim \sqrt n = +\infty$ (pour $k\geqslant 1$)
$\displaystyle\lim \frac1n = \lim \frac1{n^2} = \lim\frac1{n^k} = \lim \frac1{\sqrt n} = 0$
Vocabulaire
Une suite qui ne converge pas est dite divergente : soit elle tend vers $\pm\infty$, soit elle n’a pas de limite, comme $\big((-1)^n\big)$ qui alterne entre $1$ et $-1$.
« Non majorée » ne veut pas dire « tend vers $+\infty$ »
La suite $u_n = n\big(1+(-1)^n\big)$ vaut $0, 0, 4, 0, 8, 0, 12\ldots$ Elle n’est pas majorée, mais l’intervalle $[1\,;+\infty[$ ne contient jamais les termes de rang impair (qui valent $0$) : elle ne tend pas vers $+\infty$. Essaie-la ci-dessous.

Je visualise

Méthode : l’algorithme de seuil

Quand $(u_n)$ tend vers $+\infty$, on sait qu’elle finit par dépasser n’importe quel nombre $A$. Pour trouver le premier rang où cela arrive, on calcule les termes un par un tant que le seuil n’est pas franchi.

Situation
Une population de bactéries compte $1000$ individus et augmente de $20\,\%$ par heure : $u_0 = 1000$ et $u_{n+1} = 1{,}2\,u_n$. À partir de quelle heure dépasse-t-elle $A$ ?

Je m’entraîne

Fiche S3

Opérations sur les limites

Calculer la limite d’une somme, d’un produit, d’un quotient… et repérer les quatre formes indéterminées.

Programme : opérations sur les limites · capacité : factoriser le terme prépondérant

L’essentiel

$\ell$ et $\ell'$ désignent des réels. « FI » signifie forme indéterminée : on ne peut pas conclure directement, il faut transformer l’écriture.

Somme $u_n + v_n$
$\lim u_n$$\ell$$\ell$$\ell$$+\infty$$-\infty$$+\infty$
$\lim v_n$$\ell'$$+\infty$$-\infty$$+\infty$$-\infty$$-\infty$
$\lim (u_n+v_n)$$\ell+\ell'$$+\infty$$-\infty$$+\infty$$-\infty$FI
Produit $u_n \times v_n$
$\lim u_n$$\ell$$\ell \neq 0$$\infty$$0$
$\lim v_n$$\ell'$$\infty$$\infty$$\infty$
$\lim (u_n v_n)$$\ell\ell'$$\infty$ (règle des signes)$\infty$ (règle des signes)FI
Quotient $\dfrac{u_n}{v_n}$
$\lim u_n$$\ell$$\ell$$\ell\neq0$ ou $\infty$$\infty$$0$$\infty$
$\lim v_n$$\ell'\neq 0$$\infty$$0$ (signe constant)$\ell'$$0$$\infty$
$\lim \frac{u_n}{v_n}$$\frac{\ell}{\ell'}$$0$$\infty$ (règle des signes)$\infty$ (règle des signes)FIFI
Les quatre formes indéterminées
$$\infty - \infty \qquad 0\times\infty \qquad \frac{\infty}{\infty} \qquad \frac00$$ « Indéterminée » ne veut pas dire « pas de limite » : selon les suites, le résultat change. Le calculateur ci-dessous te montre des exemples.

Je visualise

Méthode : lever une indétermination

Polynôme
$u_n = n^2 - 3n + 1$ : forme $\infty-\infty$.
On factorise par le terme de plus haut degré : $u_n = n^2\left(1 - \frac3n + \frac1{n^2}\right)$.
La parenthèse tend vers $1$ et $n^2 \to +\infty$, donc $u_n\to+\infty$.
Quotient
$u_n = \dfrac{2n^2+1}{5n^2-n}$ : forme $\frac\infty\infty$.
On factorise en haut et en bas : $u_n = \dfrac{n^2(2+\frac1{n^2})}{n^2(5-\frac1n)} = \dfrac{2+\frac1{n^2}}{5-\frac1n}$, donc $u_n \to \dfrac25$.
Racines : la quantité conjuguée
$u_n = \sqrt{n+1}-\sqrt n$ : forme $\infty-\infty$.
$u_n = \dfrac{(\sqrt{n+1}-\sqrt n)(\sqrt{n+1}+\sqrt n)}{\sqrt{n+1}+\sqrt n} = \dfrac{1}{\sqrt{n+1}+\sqrt n}$, donc $u_n \to 0$.

Je m’entraîne

Fiche S4

Comparaison et théorème des gendarmes

Trouver une limite sans la calculer directement, en coinçant la suite entre d’autres suites plus simples.

Programme : limites et comparaison, théorème des gendarmes · démonstration exigible : divergence vers $+\infty$ d’une suite minorée par une suite qui diverge vers $+\infty$

L’essentiel

Théorèmes de comparaison
  • Si, à partir d’un certain rang, $u_n \geqslant v_n$ et si $\lim v_n = +\infty$, alors $\lim u_n = +\infty$.
  • Si, à partir d’un certain rang, $u_n \leqslant w_n$ et si $\lim w_n = -\infty$, alors $\lim u_n = -\infty$.
Théorème des gendarmes
Si, à partir d’un certain rang, $v_n \leqslant u_n \leqslant w_n$, et si $(v_n)$ et $(w_n)$ convergent vers la même limite $\ell$, alors $(u_n)$ converge vers $\ell$.
Encadrements utiles
Pour tout $n$ : $-1 \leqslant \sin n \leqslant 1$, $\;-1 \leqslant \cos n \leqslant 1$, $\;-1 \leqslant (-1)^n \leqslant 1$.
Passage à la limite
Si $u_n \leqslant v_n$ à partir d’un certain rang et si les deux suites convergent, alors $\lim u_n \leqslant \lim v_n$. Attention : les inégalités strictes deviennent larges ($\frac1n > 0$ mais $\lim \frac1n = 0$).

Je visualise

Une suite minorée par une suite qui tend vers $+\infty$ tend vers $+\infty$ Démonstration au programme

Hypothèses. À partir d’un rang $N_1$, $u_n \geqslant v_n$, et $\lim v_n = +\infty$.

Soit $A$ un réel quelconque. Comme $v_n \to +\infty$, l’intervalle $[A\,;+\infty[$ contient tous les $v_n$ à partir d’un certain rang $N_2$.

Pour tout $n \geqslant \max(N_1, N_2)$, on a à la fois $u_n \geqslant v_n$ et $v_n \geqslant A$, donc $u_n \geqslant A$.

Ainsi, l’intervalle $[A\,;+\infty[$ contient tous les $u_n$ à partir du rang $\max(N_1,N_2)$. C’est vrai pour tout $A$ : par définition, $\lim u_n = +\infty$.

Méthode

Gendarmes
$u_n = 2 + \dfrac{\cos n}{n}$ pour $n\geqslant1$. Comme $-1\leqslant \cos n\leqslant 1$ et $n > 0$ : $2 - \dfrac1n \leqslant u_n \leqslant 2 + \dfrac1n$. Les deux bornes tendent vers $2$, donc $\lim u_n = 2$.
Comparaison
$u_n = n^2 + (-1)^n\,n$. Comme $(-1)^n \geqslant -1$ : $u_n \geqslant n^2 - n = n(n-1)$. Or $n(n-1) \to +\infty$, donc $\lim u_n = +\infty$.

Je m’entraîne

Fiche S5

Suites géométriques : limite de $q^n$

Savoir d’un coup d’œil si $q^n$ explose, s’écrase vers $0$ ou n’a pas de limite, et l’appliquer aux sommes géométriques.

Programme : comportement d’une suite géométrique $(q^n)$ · démonstration exigible : limite de $(q^n)$, après l’inégalité de Bernoulli

L’essentiel

Limite de $q^n$ selon la valeur de $q$
$q \leqslant -1$$-1 < q < 1$$q = 1$$q > 1$
pas de limite$\lim q^n = 0$$\lim q^n = 1$$\lim q^n = +\infty$
Suite géométrique
Si $u_n = u_0\, q^n$ avec $u_0 \neq 0$, sa limite est celle de $q^n$ multipliée par $u_0$ (attention au signe de $u_0$ quand $q>1$).
Somme géométrique (rappel de première)
Pour $q\neq 1$ : $\;1 + q + q^2 + \cdots + q^n = \dfrac{1-q^{n+1}}{1-q}$.
Si $-1

Je visualise

Limite de $q^n$ Démonstration au programme

Cas $q > 1$. Posons $a = q - 1 > 0$. Par l’inégalité de Bernoulli (fiche S1) : $q^n = (1+a)^n \geqslant 1 + na$. Or $\lim (1+na) = +\infty$ car $a > 0$. Par comparaison (fiche S4), $\lim q^n = +\infty$.

Cas $-1 < q < 1$. Si $q = 0$, c’est immédiat. Sinon, $\frac1{|q|} > 1$, donc $\left(\frac1{|q|}\right)^n \to +\infty$ d’après le premier cas, et $|q|^n = \dfrac{1}{\left(\frac{1}{|q|}\right)^n} \to 0$. Comme $-|q|^n \leqslant q^n \leqslant |q|^n$, les gendarmes donnent $\lim q^n = 0$.

Cas $q = 1$. La suite est constante égale à $1$.

Cas $q \leqslant -1$. Les termes de rang pair $q^{2n} = (q^2)^n$ sont $\geqslant 1$ et ceux de rang impair sont $\leqslant -1$ : la suite ne peut s’approcher d’aucune limite, finie ou infinie.

Je m’entraîne

Fiche S6

Convergence monotone et suites récurrentes

Prouver qu’une suite converge sans connaître sa limite, puis trouver cette limite grâce à la relation $u_{n+1} = f(u_n)$.

Programme : théorème admis : toute suite croissante majorée (ou décroissante minorée) converge · démonstration exigible : toute suite croissante non majorée tend vers $+\infty$

L’essentiel

Théorème de convergence monotone (admis)
  • Toute suite croissante et majorée converge.
  • Toute suite décroissante et minorée converge.
Suite croissante non majorée
Toute suite croissante non majorée tend vers $+\infty$ (démonstration ci-dessous).
La limite n’est pas le majorant
$u_n = 1 - \frac1{n+1}$ est croissante et majorée par $5$ : elle converge, mais vers $1$, pas vers $5$. On sait seulement que $\ell \leqslant 5$.
Trouver la limite : le point fixe
Si $u_{n+1} = f(u_n)$, si $(u_n)$ converge vers $\ell$ et si $f$ est continue en $\ell$, alors $f(\ell) = \ell$. On résout donc l’équation $f(x) = x$ (propriété vue avec la continuité).
Suites arithmético-géométriques $u_{n+1} = a\,u_n + b$ (avec $a\neq 1$)
On cherche $\ell$ tel que $\ell = a\ell + b$, soit $\ell = \dfrac{b}{1-a}$. Alors $v_n = u_n - \ell$ est géométrique de raison $a$ : $v_{n+1} = u_{n+1} - \ell = a u_n + b - (a\ell + b) = a(u_n - \ell) = a v_n$.
Donc $u_n = \ell + (u_0-\ell)\,a^n$, et si $-1 < a < 1$, $\lim u_n = \ell$.

Je visualise

Toute suite croissante non majorée tend vers $+\infty$ Démonstration au programme

Soit $(u_n)$ croissante et non majorée, et soit $A$ un réel.

$A$ n’est pas un majorant de la suite : il existe donc un rang $N$ tel que $u_N > A$.

La suite est croissante : pour tout $n \geqslant N$, $u_n \geqslant u_N > A$.

L’intervalle $[A\,;+\infty[$ contient donc tous les termes à partir du rang $N$. C’est vrai pour tout réel $A$ : $\lim u_n = +\infty$.

Méthode : l’exercice type du bac

$u_0 = 0$ et $u_{n+1} = \sqrt{u_n + 2}$
  1. Encadrer et étudier le sens de variation par récurrence. On montre $\mathcal P(n)$ : « $0 \leqslant u_n \leqslant u_{n+1} \leqslant 2$ ». Initialisation : $u_0 = 0$, $u_1 = \sqrt2 \approx 1{,}41$ ; on a bien $0\leqslant 0\leqslant \sqrt2\leqslant 2$. Hérédité : si $0 \leqslant u_n \leqslant u_{n+1} \leqslant 2$, alors $2 \leqslant u_n + 2 \leqslant u_{n+1}+2 \leqslant 4$, et comme la racine carrée est croissante, $\sqrt2 \leqslant u_{n+1} \leqslant u_{n+2} \leqslant 2$, donc $0\leqslant u_{n+1}\leqslant u_{n+2}\leqslant 2$.
  2. Conclure à la convergence. $(u_n)$ est croissante et majorée par $2$ : elle converge vers un réel $\ell$ (théorème de convergence monotone).
  3. Trouver la limite. $f : x\mapsto \sqrt{x+2}$ est continue, donc $\ell = \sqrt{\ell + 2}$, d’où $\ell^2 = \ell + 2$, soit $\ell^2 - \ell - 2 = 0$ : $\ell = 2$ ou $\ell = -1$. Comme $u_n \geqslant 0$, $\ell \geqslant 0$, donc $\ell = 2$.
Choisis « $\sqrt{x+2}$ » dans la toile d’araignée ci-dessus pour voir ce raisonnement en image.

Je m’entraîne