Une suite est une liste infinie de nombres, rangés dans l'ordre : un premier terme, un deuxième, un troisième, et ainsi de suite. Les suites décrivent des situations discrètes, qui évoluent par étapes : une épargne mois après mois, une population année après année, le nombre d'allumettes d'une figure qu'on agrandit. C'est ta première rencontre avec les suites : la Seconde n'en parlait pas. Comme le demandent les programmes, les notions de limite sont abordées de façon intuitive, par le calcul et par le graphique, et les théorèmes sur les limites sont admis.
Le chapitre s'appuie sur le chapitre 1 (fonctions), le chapitre 2 (limites, en particulier en +∞) et le chapitre 3 (dérivée et sens de variation).
Lecture.un se lit « u indice n ». Il ne faut pas confondre un+1 (« u indice n plus un », le terme qui suit un) et un+1 (le terme un augmenté de 1).
Définition. Une suite numériqueu est une fonction qui, à tout entier naturel n, associe un réel, noté un plutôt que u(n) : c'est la notation indicielle.
un est le terme de rang n (ou d'indice n) ; u0 est le premier terme.
La suite se note u, (un) ou (un)n∈N.
Il arrive qu'une suite ne soit définie qu'à partir d'un certain entier n0 : on la note alors (un)n≥n0, et son premier terme est un0.
Attention.(un) désigne la suite tout entière, alors que un est un nombre. De même, un+1 est le terme de rang n+1, alors que un+1 est le terme de rang n augmenté de 1.
1.2 Les différentes façons de définir une suite
a) Par une formule explicite un=f(n). On calcule directement n'importe quel terme à partir de son rang.
Exemple 1. Soit un=n2−3n pour tout n∈N. Alors u0=0, u1=−2, u2=−2, u3=0, u4=4 et u10=70.
Pour exprimer un+1, on remplace n par n+1 : un+1=(n+1)2−3(n+1)=n2−n−2. C'est différent de un+1=n2−3n+1.
b) Par récurrence. On donne le premier terme, puis une relation qui permet de calculer chaque terme à partir du précédent. On calcule les termes de proche en proche : pour obtenir u10, il faut d'abord calculer u1, u2, …, u9.
Exemple 2. Soit (un) définie par u0=1 et, pour tout n∈N, un+1=21un+2.
u1=21×1+2=25=2,5,u2=21×25+2=413=3,25,u3=829=3,625,u4=1661=3,8125.
On passe d'un terme au suivant par la fonction f:x↦21x+2 : un+1=f(un).
Exemple 3. Soit (vn) définie par v0=0 et vn+1=vn+2n+1. La relation fait intervenir n :
v1=v0+2×0+1=1,v2=v1+2×1+1=4,v3=4+5=9,v4=9+7=16.
Les termes ressemblent aux carrés des entiers : on le démontrera à la leçon 4.
c) Par une situation ou une description. Les termes sont décrits par une phrase ; il reste souvent à trouver une formule.
Exemple 4 (une suite définie à partir du rang 3). Pour n≥3, on note dn le nombre de diagonales d'un polygone convexe à n côtés. Un triangle n'en a pas, un quadrilatère en a 2, un pentagone 5, un hexagone 9 : d3=0, d4=2, d5=5, d6=9.
Formule explicite. Chacun des n sommets est relié par une diagonale aux n−3 sommets qui ne sont ni lui-même ni ses deux voisins. On compte ainsi n(n−3) diagonales, mais chacune deux fois (une fois par extrémité) : dn=2n(n−3).
Relation de récurrence. Quand on ajoute un sommet, on gagne n−1 diagonales : dn+1=dn+n−1. Par exemple d7=d6+5=14, et la formule donne bien 27×4=14.
1.3 Somme et produit de deux suites
Définition. Soit (un) et (vn) deux suites, et λ un réel. On définit les suites (un+vn), (un×vn) et (λun) terme à terme : leur terme de rang n est un+vn, unvn et λun.
Exemple 5. Avec un=n et vn=n+11 : la suite somme a pour terme n+n+11, la suite produit a pour terme n+1n, et la suite (3un) a pour terme 3n.
1.4 Représentation graphique
Sur un axe. On place les points d'abscisses u0, u1, u2, … sur une droite graduée (par exemple l'axe des abscisses), en écrivant le nom de chaque terme. On voit où les termes se placent, et s'ils se rapprochent d'un nombre.
Exemple 6 (suite de l'exemple 2). Les termes 1 ; 2,5 ; 3,25 ; 3,625 ; 3,8125 se placent de gauche à droite, de plus en plus serrés : ils semblent s'accumuler près de 4.
Dans un repère. On place les points Mn(n;un). On obtient un nuage de points isolés : on ne les relie pas, car n ne prend que des valeurs entières.
Exemple 7 (suite de l'exemple 1). Les points M0(0;0), M1(1;−2), M2(2;−2), M3(3;0), M4(4;4), M5(5;10) sont sur la parabole d'équation y=x2−3x, puisque un=f(n) avec f(x)=x2−3x. La suite ne garde de la courbe que les points d'abscisses entières.
croissante si un+1≥un pour tout n ; strictement croissante si un+1>un pour tout n ;
décroissante si un+1≤un pour tout n ; strictement décroissante si un+1<un pour tout n ;
constante si un+1=un pour tout n ;
monotone si elle est croissante ou décroissante.
On dit qu'une suite est croissante à partir du rang p si un+1≥un pour tout n≥p (de même pour les autres définitions).
Une suite peut n'être ni croissante ni décroissante : la suite ((−1)n) vaut 1,−1,1,−1,…
2.2 Méthode 1 : le signe de un+1−un
On calcule la différence un+1−un et on étudie son signe. Si elle est positive pour tout n, la suite est croissante ; si elle est négative, la suite est décroissante.
Exemple 8. Soit un=n+11. Pour tout n,
un+1−un=n+21−n+11=(n+1)(n+2)(n+1)−(n+2)=(n+1)(n+2)−1<0.
La suite est strictement décroissante.
Exemple 9 (une suite définie par récurrence). Pour la suite (vn) de l'exemple 3, vn+1−vn=2n+1>0 pour tout n : la suite est strictement croissante.
Exemple 10 (à partir d'un rang). Pour un=n2−3n (exemple 1), un+1−un=(n2−n−2)−(n2−3n)=2n−2. Cette différence est négative pour n=0, nulle pour n=1, strictement positive pour n≥2. La suite est croissante à partir du rang 1, et strictement croissante à partir du rang 2. Elle n'est pas croissante dès le rang 0, car u1=−2<u0=0.
Si tous les termes sont strictement positifs, on peut comparer le quotient unun+1 à 1 : s'il est supérieur à 1 pour tout n, alors un+1>un et la suite est strictement croissante ; s'il est inférieur à 1, elle est strictement décroissante. Cette méthode est commode quand un contient une puissance qn.
Exemple 11. Soit un=3nn+1. Les termes sont strictement positifs et
unun+1=3n+1n+2×n+13n=3(n+1)n+2.
Or n+2<3n+3, puisque 2n+1>0. Le quotient est donc strictement inférieur à 1 : la suite est strictement décroissante.
2.4 Méthode 3 : utiliser la fonction associée (suites un=f(n))
Propriété. Si un=f(n) pour tout n, et si f est strictement croissante (resp. strictement décroissante) sur [0;+∞[, alors la suite (un) est strictement croissante (resp. strictement décroissante).
Justification. Pour tout n, n<n+1, donc f(n)<f(n+1) si f est strictement croissante.
Exemple 12. Soit un=n+32n+1. On a un=f(n) avec f(x)=x+32x+1, dérivable sur [0;+∞[, et (chapitre 3)
f′(x)=(x+3)22(x+3)−(2x+1)=(x+3)25>0.
La fonction f est strictement croissante sur [0;+∞[, donc la suite (un) est strictement croissante. Vérification par la méthode 1 :un+1−un=(n+3)(n+4)5>0.
Attention. Cette méthode ne vaut que pour les suites définies par une formule explicite un=f(n).
majorée s'il existe un réel M tel que un≤M pour tout n ; M est un majorant de la suite ;
minorée s'il existe un réel m tel que un≥m pour tout n ; m est un minorant ;
bornée si elle est à la fois majorée et minorée : m≤un≤M pour tout n.
Graphiquement, une suite bornée a tous ses points Mn(n;un) dans la bande comprise entre les droites d'équations y=m et y=M.
Méthode. Pour montrer que M est un majorant, on étudie le signe de un−M ; pour un minorant m, le signe de un−m.
Exemple 13. Soit un=n+32n+1 (exemple 12). Pour tout n, un−2=n+32n+1−2(n+3)=n+3−5<0, donc un<2 : la suite est majorée par 2. Comme elle est croissante, un≥u0=31. Ainsi 31≤un<2 pour tout n : la suite est bornée.
Exemple 14. Soit un=n2−3n (exemple 1). Elle est croissante à partir du rang 1, donc un≥u1=−2 pour n≥1, et u0=0≥−2 : la suite est minorée par −2. Elle n'est pas majorée : pour n≥4, n−3≥1, donc un=n(n−3)≥n, et les termes dépassent n'importe quel réel.
Propriété. Une suite croissante est minorée par son premier terme. Une suite décroissante est majorée par son premier terme.
3.2 Suites périodiques
Définition. Soit p un entier naturel non nul. La suite (un) est périodique de période p si un+p=un pour tout n : les termes se répètent tous les p rangs.
Exemple 15. La suite ((−1)n) est périodique de période 2. La suite wn=cos(2nπ), qui vaut 1,0,−1,0,1,0,…, est périodique de période 4, car cos(2(n+4)π)=cos(2nπ+2π)=cos(2nπ).
Exemple 16 (une suite définie par récurrence). Soit u0=3 et un+1=1−un. Les termes valent 3,−2,3,−2,… En effet, pour tout n,
un+2=1−un+1=1−(1−un)=un.
La suite est périodique de période 2.
Une suite périodique ne prend qu'un nombre fini de valeurs : elle est bornée.
3.3 Comparaison de deux suites
Définition. On dit que (un)≤(vn) si un≤vn pour tout n. On le dit aussi « à partir d'un certain rang » quand l'inégalité n'est vraie que pour n≥p.
Méthode. On étudie le signe de la différence un−vn.
Exemple 17. Soit un=n2 et vn=3n−2. Pour tout n,
un−vn=n2−3n+2=(n−1)(n−2).
Si n≤1, les deux facteurs sont négatifs ou nuls ; si n≥2, ils sont positifs ou nuls. Dans tous les cas le produit est positif ou nul : un≥vn pour tout n∈N, avec égalité pour n=1 et n=2.
Remarque : pour un réel x compris strictement entre 1 et 2, on aurait x2−3x+2<0 ; mais il n'y a aucun entier entre 1 et 2.
Pour démontrer qu'une propriété P(n), qui dépend d'un entier naturel n, est vraie pour tout entier n≥n0, on procède en deux étapes.
Initialisation : on vérifie que P(n0) est vraie.
Hérédité : on suppose que P(n) est vraie pour un entier n≥n0 quelconque (c'est l'hypothèse de récurrence), et on démontre qu'alors P(n+1) est vraie.
Conclusion : P(n) est vraie pour tout entier n≥n0.
C'est l'image d'une échelle : on peut monter sur le premier barreau (initialisation), et de chaque barreau on peut monter sur le suivant (hérédité). On peut donc atteindre tous les barreaux.
4.2 Démontrer une formule
Exemple 18 (suite de l'exemple 3). Soit v0=0 et vn+1=vn+2n+1. Montrons que vn=n2 pour tout n∈N.
Pour n∈N, on note P(n) : « vn=n2 ».
Initialisation.v0=0=02 : P(0) est vraie.
Hérédité. Soit n∈N tel que vn=n2. Alors vn+1=vn+2n+1=n2+2n+1=(n+1)2 : P(n+1) est vraie.
Conclusion. Pour tout n∈N, vn=n2.
Comme vn=1+3+5+⋯+(2n−1) pour n≥1, on a aussi démontré que la somme des n premiers nombres impairs vaut n2. On le voit sur un carré de côté n : on passe au carré de côté n+1 en ajoutant une bande en équerre de 2n+1 petits carrés.
Exemple 19 (suite de l'exemple 2). Soit u0=1 et un+1=21un+2. Montrons que un=4−2n3 pour tout n∈N.
Initialisation.4−203=4−3=1=u0.
Hérédité. Supposons un=4−2n3 pour un entier n. Alors
un+1=21(4−2n3)+2=2−2n+13+2=4−2n+13.
Conclusion. Pour tout n∈N, un=4−2n3. Par exemple u10=4−10243=10244093≈3,997.
4.3 Démontrer une inégalité, un sens de variation
Exemple 20 (suite de l'exemple 2). Montrons que un<4 pour tout n, sans utiliser la formule de l'exemple 19.
Initialisation.u0=1<4.
Hérédité. Supposons un<4. Alors 21un<2, donc 21un+2<4, c'est-à-dire un+1<4.
Conclusion.un<4 pour tout n∈N.
Sens de variation.un+1−un=2−21un=21(4−un)>0, puisque un<4. La suite est strictement croissante. Elle est donc minorée par u0=1, et 1≤un<4 : elle est bornée.
4.4 Les deux étapes sont indispensables
Vérifier quelques cas ne suffit pas. Le nombre n2+n+41 est premier pour n=0,1,2,…,39, mais pas pour n=40 : 402+40+41=1681=412.
L'hérédité seule ne suffit pas. Soit P(n) : « 4n+1 est un multiple de 3 ». Si 4n+1=3k, alors 4n+1+1=4(4n+1)−3=3(4k−1) : l'hérédité est vraie. Pourtant 40+1=2 n'est pas un multiple de 3, et en fait P(n) est fausse pour tout n (4n+1 vaut 2,5,17,65,…).
Définition. Une suite (un) est arithmétique s'il existe un réel r tel que, pour tout n,
un+1=un+r.
Le réel r est la raison de la suite : on passe d'un terme au suivant en ajoutant toujours le même nombre.
Démontrer qu'une suite est arithmétique. On calcule un+1−un et on vérifie que cette différence ne dépend pas de n.
Exemple 21. Soit un=5−3n. Pour tout n, un+1−un=5−3(n+1)−(5−3n)=−3. La suite est arithmétique, de raison −3 et de premier terme u0=5.
En revanche, pour wn=n2, wn+1−wn=2n+1 dépend de n : par exemple w1−w0=1 et w2−w1=3. La suite (wn) n'est pas arithmétique.
Exemple 22 (modèle simplifié). Une élève a 20000 F dans sa tirelire et y ajoute 2500 F à la fin de chaque mois. On note sn son épargne au bout de n mois : s0=20000 et sn+1=sn+2500. La suite (sn) est arithmétique de raison 2500.
5.2 Terme général
Propriété. Si (un) est arithmétique de raison r, alors pour tous entiers naturels n et p :
un=u0+nretun=up+(n−p)r.
Justification. Pour aller de u0 à un, on ajoute n fois la raison (on le démontre par récurrence : u0=u0+0×r, et si un=u0+nr, alors un+1=u0+nr+r=u0+(n+1)r). Pour aller de up à un, on ajoute n−p fois la raison.
Exemple 23. Dans l'exemple 22, sn=20000+2500n. Au bout d'un an, s12=50000 F. L'épargne atteint 100000 F quand 2500n≥80000, c'est-à-dire à partir de n=32 mois.
Exemple 24.(un) est arithmétique, avec u3=7 et u10=28. Comme u10=u3+7r, on a 7r=21, donc r=3. Puis u0=u3−3r=−2, et un=−2+3n. Par exemple u100=298.
5.3 Sens de variation et représentation
Comme un+1−un=r :
si r>0, la suite est strictement croissante ;
si r<0, elle est strictement décroissante ;
si r=0, elle est constante.
Les points Mn(n;u0+nr) sont alignés sur la droite d'équation y=rx+u0 : une suite arithmétique a une croissance (ou une décroissance) linéaire.
5.4 Somme de termes consécutifs, notation ∑
La somme des premiers entiers. Pour tout n≥1,
1+2+3+⋯+n=2n(n+1).Démonstration. On écrit la somme S dans les deux sens et on additionne :
SS2S=1+2+⋯+(n−1)+n=n+(n−1)+⋯+2+1=(n+1)+(n+1)+⋯+(n+1)+(n+1)=n(n+1).
Par exemple, 1+2+⋯+100=2100×101=5050.
Propriété. La somme de termes consécutifs d'une suite arithmétique vaut
S=(nombre de termes)×2premier terme+dernier terme.
De up à un (avec p≤n), il y a n−p+1 termes : up+up+1+⋯+un=(n−p+1)2up+un.
Démonstration. Chaque terme s'écrit up+kr, avec k allant de 0 à n−p. La somme vaut donc (n−p+1)up+r(0+1+⋯+(n−p))=(n−p+1)up+r2(n−p)(n−p+1)=(n−p+1)22up+(n−p)r, et 2up+(n−p)r=up+un.
Notation ∑. La somme up+up+1+⋯+un s'écrit k=p∑nuk, qui se lit « somme, pour k allant de p à n, de u indice k ». La lettre k est muette : on peut la remplacer par une autre lettre. Par exemple k=1∑100k=5050.
Exemple 25. Avec un=−2+3n (exemple 24) :
k=0∑20uk=u0+u1+⋯+u20 compte 21 termes, de u0=−2 à u20=58 : la somme vaut 21×2−2+58=21×28=588 ;
k=3∑10uk=7+10+13+⋯+28 compte 10−3+1=8 termes : elle vaut 8×27+28=140.
Définition. Une suite (un) est géométrique s'il existe un réel q tel que, pour tout n,
un+1=qun.
Le réel q est la raison de la suite : on passe d'un terme au suivant en multipliant toujours par le même nombre.
Démontrer qu'une suite est géométrique. On écrit un+1 sous la forme q×un, avec q indépendant de n. Si les termes ne s'annulent pas, cela revient à montrer que le quotient unun+1 ne dépend pas de n.
Exemple 26. Soit un=22n+1. Pour tout n, un+1=22n+3=22×22n+1=4un. La suite est géométrique, de raison 4 et de premier terme u0=2.
En revanche, pour vn=n×2n : v1=2, v2=8, v3=24, et v1v2=4=v2v3=3. La suite (vn) n'est pas géométrique.
Pourcentages. Augmenter une quantité de t% revient à la multiplier par 1+100t ; la diminuer de t%, à la multiplier par 1−100t. Une quantité qui augmente chaque année du même pourcentage suit donc une suite géométrique.
Exemple 27 (modèle simplifié). Une ville compte 50000 habitants en 2026, et sa population augmente de 3% par an. On note pn la population en 2026+n : p0=50000 et pn+1=1,03pn. La suite (pn) est géométrique de raison 1,03.
6.2 Terme général
Propriété. Si (un) est géométrique de raison q, alors pour tout entier naturel n, un=u0qn, et pour tous entiers n≥p, un=upqn−p.
Justification. Pour aller de u0 à un, on multiplie n fois par q (on le démontre par récurrence, comme pour les suites arithmétiques).
Exemple 28. Dans l'exemple 27, pn=50000×1,03n. En 2036, la population est p10=50000×1,0310≈67196 habitants.
Exemple 29.(un) est géométrique, avec u1=6 et u4=162. Comme u4=u1q3, on a q3=27, donc q=3. Puis u0=qu1=2, et un=2×3n. Par exemple u6=1458.
6.3 Sens de variation et représentation
Pour tout n, un+1−un=u0qn+1−u0qn=u0qn(q−1). Lorsque u0>0 et q>0 :
si q>1, la suite est strictement croissante ;
si 0<q<1, elle est strictement décroissante ;
si q=1, elle est constante.
Si u0<0, les sens sont inversés. Si q<0, les termes changent de signe à chaque rang : la suite n'est pas monotone.
Les points Mn(n;un) ne sont pas alignés. Avec un=2×3n, ils montrent une croissance de plus en plus rapide : on multiplie à chaque pas. Avec un=8×(21)n, ils se rapprochent de l'axe des abscisses. Avec un=8×(−21)n, les termes placés sur un axe sautent d'un côté à l'autre de 0, en s'en rapprochant.
6.4 Somme de termes consécutifs
Propriété (formule du programme). Pour tout réel x et tout entier naturel n,
(1+x+x2+⋯+xn)(1−x)=1−xn+1.Démonstration. En développant, on obtient (1+x+⋯+xn)−(x+x2+⋯+xn+1) : tous les termes se simplifient, sauf 1 et −xn+1.
Conséquence. Pour tout réel q=1,
1+q+q2+⋯+qn=∑k=0nqk=1−q1−qn+1.
Si q=1, la somme vaut n+1.
Propriété. La somme de termes consécutifs d'une suite géométrique de raison q=1 vaut
S=(premier terme)×1−q1−qnombre de termes.
En effet, up+up+1+⋯+un=up(1+q+⋯+qn−p)=up1−q1−qn−p+1.
Exemple 30.1+2+4+⋯+210=1−21−211=211−1=2047.
Exemple 31. Avec un=2×3n (exemple 29) : k=0∑5uk=2×1−31−36=2×−2−728=728. Vérification : 2+6+18+54+162+486=728.
Exemple 32.1+21+41+⋯+2n1=1−211−(21)n+1=2(1−2n+11)=2−2n1.
Que deviennent les termes un quand n devient très grand ? On dit « quand n tend vers +∞ ».
Exemple 33. Soit un=n+11. Alors u10=111≈0,09, u100=1011≈0,0099, u1000=10011≈0,000999. Les termes se rapprochent de 0 autant que l'on veut : pour avoir un<0,001, il suffit que n+1>1000, c'est-à-dire n≥1000.
Définition (approche intuitive). On dit que la suite (un)converge vers le réel ℓ, ou qu'elle admet ℓ pour limite, si les termes un peuvent être aussi proches de ℓ que l'on veut, à condition que n soit suffisamment grand. On note
limn→+∞un=ℓoulimun=ℓ.
Graphiquement, les points Mn(n;un) finissent par entrer, et rester, dans n'importe quelle bande horizontale aussi étroite que l'on veut autour de la droite y=ℓ.
Exemple 34. Soit un=2+n+1(−1)n. Les termes valent 3 ; 1,5 ; 2,33 ; 1,75 ; 2,2… Sur un axe, ils sautent de part et d'autre de 2 en s'en rapprochant. L'écart entre un et 2 vaut n+11, qui devient aussi petit que l'on veut : la suite converge vers 2.
Définition. Une suite qui ne converge pas est dite divergente. Il y a deux cas :
la suite tend vers +∞ (ses termes deviennent aussi grands que l'on veut pour n assez grand), ou vers −∞ : c'est le cas de (n2) ;
la suite n'a pas de limite : c'est le cas de ((−1)n), qui vaut alternativement 1 et −1.
7.2 Théorèmes admis
Unicité. Si une suite admet une limite, cette limite est unique.
Suites un=f(n). Si x→+∞limf(x)=ℓ (ℓ réel, +∞ ou −∞), alors n→+∞limf(n)=ℓ. On utilise donc les limites en +∞ du chapitre 2.
Suites de référence. Pour n≥1 : les suites (n1), (n21) et (n1) convergent vers 0 ; les suites (n), (n2) et (n) tendent vers +∞.
Opérations. Les théorèmes sur la limite d'une somme, d'un produit, d'un quotient sont les mêmes que pour les fonctions (chapitre 2), avec les mêmes formes indéterminées : ∞−∞, 0×∞, ∞∞ et 00.
Exemple 35.
un=n2+32n2+1 : en +∞, la fonction rationnelle associée a la même limite que le quotient des termes de plus haut degré, x22x2=2. Donc limun=2.
un=n+32n+1 (exemples 12 et 13) : de même, limun=2. La suite est croissante, majorée par 2, et ses termes se rapprochent de 2.
un=n2−3n (exemple 1) : c'est une forme ∞−∞. On factorise : un=n2(1−n3), avec n2→+∞ et 1−n3→1. Donc limun=+∞.
wn=n2+1−n : forme ∞−∞. Avec l'expression conjuguée, wn=n2+1+n(n2+1)−n2=n2+1+n1. Le dénominateur tend vers +∞, donc limwn=0.
7.3 Limites des suites arithmétiques et géométriques
Suites arithmétiques. Si un=u0+nr : lorsque r>0, limun=+∞ ; lorsque r<0, limun=−∞ ; lorsque r=0, la suite est constante. Une suite arithmétique de raison non nulle est donc divergente.
Suites géométriques : la suite (qn) (théorème admis).
q
q≤−1
−1<q<1
q=1
q>1
n→+∞limqn
pas de limite
0
1
+∞
À la calculatrice : 0,9100≈0,000027 et 1,011000≈20959 ; même une raison à peine plus grande que 1 finit par dépasser tout nombre. Par exemple, (101)n=10n1 tend vers 0.
Conséquence. Si −1<q<1, la suite géométrique un=u0qn converge vers 0.
Exemple 36 (suite des exemples 2, 6 et 19).un=4−3×(21)n. Comme −1<21<1, (21)n→0, donc limun=4. On retrouve ce que montrait l'axe à l'exemple 6 : les termes s'accumulent près de 4.
Exemple 37 (suite de l'exemple 32).1+21+⋯+2n1=2−2n1 tend vers 2. On peut le voir sur une bande de longueur 2 : on en couvre la moitié, puis la moitié de ce qui reste, et ainsi de suite.
Leçon 9 : Suites récurrentes, suites de référenceS1 · S3
Quand chaque terme se calcule à partir du précédent seulement, on peut écrire un+1=f(un) : on remplace un par x dans la relation de récurrence.
Exemple 44.
un+1=21un+2 : f(x)=21x+2 ;
un+1=2un+3 : f(x)=2x+3, définie sur [−23;+∞[ ;
un+1=1+unun : f(x)=1+xx.
En revanche, la relation vn+1=vn+2n+1 de l'exemple 3 fait intervenir n : elle n'est pas de la forme vn+1=f(vn).
9.2 Construire les termes à partir de la courbe de f
On connaît la courbe Cf et le premier terme u0. On trace aussi la droite Δ d'équation y=x.
On place u0 sur l'axe des abscisses.
On monte (ou on descend) verticalement jusqu'à Cf : le point atteint a pour ordonnée f(u0)=u1.
On rejoint horizontalement la droite Δ : le point atteint a pour abscisse u1. On redescend sur l'axe des abscisses, où l'on place u1.
On recommence à partir de u1 pour obtenir u2, et ainsi de suite.
Les termes u0, u1, u2, … s'alignent sur l'axe des abscisses : on peut conjecturer le sens de variation de la suite et son comportement.
Exemple 45 (suite de l'exemple 2). Avec f(x)=21x+2 et u0=1, la construction dessine un escalier qui monte vers le point d'intersection de Cf et de Δ. Ce point vérifie 21x+2=x, donc x=4. On conjecture que la suite est croissante et qu'elle converge vers 4 : c'est bien ce qu'on a démontré aux exemples 20 et 36.
Exemple 46. Avec f(x)=2x+3 et u0=0 : u1=3≈1,732, u2≈2,542, u3≈2,843, u4≈2,947. L'escalier monte vers le point d'intersection de Cf et de Δ, d'abscisse 3 (car 2x+3=x équivaut, pour x≥0, à x2−2x−3=0). On conjecture que la suite est croissante et qu'elle converge vers 3.
Exemple 47. Avec f(x)=−21x+3, qui est décroissante, et u0=0 : u1=3, u2=1,5, u3=2,25, u4=1,875. La construction dessine une spirale autour du point d'intersection, d'abscisse 2 : les termes se placent alternativement à gauche et à droite de 2, en s'en rapprochant. La suite n'est pas monotone ; on conjecture qu'elle converge vers 2.
Attention. Une conjecture n'est pas une démonstration : il faut ensuite démontrer ce qu'on a observé (par récurrence, par une formule explicite…).
9.3 Suites de référence (admises)
Les suites suivantes convergent vers 0 :
n1,n1,10n1,nα1(α reˊel strictement positif).
En Première, on les utilise avec α entier naturel non nul (n21, n31…) ou α=21, qui redonne n1. Avec les théorèmes d'opérations, par exemple, 3+n31→3 et n5−10n1→0.
9.4 Passage à la limite dans une inégalité (admis)
Théorème. Si un≤vn à partir d'un certain rang, et si (un) et (vn) convergent vers ℓ et ℓ′, alors ℓ≤ℓ′.
En particulier, si un≤M pour tout n et si (un) converge vers ℓ, alors ℓ≤M.
Attention. Les inégalités strictes deviennent larges à la limite : n1>0 pour tout n≥1, et pourtant limn1=0. De même, à l'exemple 20, un<4 pour tout n, et la limite vaut exactement 4.
Ce qu'il faut retenir du chapitre
Une suite associe à chaque entier n un réel un. On la définit par une formule expliciteun=f(n), par récurrence (premier terme et relation entre un+1 et un), ou par une situation. Ne pas confondre un+1 et un+1.
Représentation : les termes sur un axe, ou les points isolés Mn(n;un) dans un repère.
Sens de variation : signe de un+1−un ; quotient unun+1 comparé à 1 si les termes sont strictement positifs ; sens de variation de f si un=f(n).
Majorée, minorée, bornée, périodique ; comparer deux suites par le signe de un−vn.
Récurrence : initialisation, hérédité, conclusion. Les deux étapes sont indispensables.
Géométrique : un+1=qun, un=upqn−p ; (1+x+⋯+xn)(1−x)=1−xn+1 ; somme =(premier terme)×1−q1−qnombre de termes si q=1.
Convergence : un aussi proche de ℓ que l'on veut pour n assez grand ; sinon la suite diverge. Limite unique ; mêmes règles que pour les fonctions ; qn→0 si −1<q<1, qn→+∞ si q>1.
S1 · S3 Pour un+1=f(un) : construire les termes avec Cf et la droite y=x, puis conjecturer. Suites de référence n1, n1, 10n1, nα1. Si un≤vn, alors limun≤limvn.
Tu es hors connexion. Les chapitres téléchargés restent disponibles dans Hors connexion.