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Leçon 9S1 · S3

Suites récurrentes, suites de référence

Vidéo 9 : Suites récurrentes et suites de référence · 4 min 10 s · sous-titres en français

Le cours écrit

9.1 Trouver la fonction ff telle que un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n)

Quand chaque terme se calcule à partir du précédent seulement, on peut écrire un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) : on remplace unu_n par xx dans la relation de récurrence.

Exemple 44.

  • un+1=12un+2u_{n+1} = \dfrac12 u_n + 2 : f(x)=12x+2f(x) = \dfrac12 x + 2 ;
  • un+1=2un+3u_{n+1} = \sqrt{2u_n + 3} : f(x)=2x+3f(x) = \sqrt{2x + 3}, définie sur [−32 ;+∞[\left[-\dfrac32\,;+\infty\right[ ;
  • un+1=un1+unu_{n+1} = \dfrac{u_n}{1 + u_n} : f(x)=x1+xf(x) = \dfrac{x}{1 + x}.

En revanche, la relation vn+1=vn+2n+1v_{n+1} = v_n + 2n + 1 de l'exemple 3 fait intervenir nn : elle n'est pas de la forme vn+1=f(vn)v_{n+1} = f(v_n).

9.2 Construire les termes à partir de la courbe de ff

On connaît la courbe Cf\mathcal{C}_f et le premier terme u0u_0. On trace aussi la droite Δ\Delta d'équation y=xy = x.

  1. On place u0u_0 sur l'axe des abscisses.
  2. On monte (ou on descend) verticalement jusqu'à Cf\mathcal{C}_f : le point atteint a pour ordonnée f(u0)=u1f(u_0) = u_1.
  3. On rejoint horizontalement la droite Δ\Delta : le point atteint a pour abscisse u1u_1. On redescend sur l'axe des abscisses, où l'on place u1u_1.
  4. On recommence à partir de u1u_1 pour obtenir u2u_2, et ainsi de suite.

Les termes u0u_0, u1u_1, u2u_2, … 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)=12x+2f(x) = \dfrac12 x + 2 et u0=1u_0 = 1, la construction dessine un escalier qui monte vers le point d'intersection de Cf\mathcal{C}_f et de Δ\Delta. Ce point vérifie 12x+2=x\dfrac12 x + 2 = x, donc x=4x = 4. On conjecture que la suite est croissante et qu'elle converge vers 44 : c'est bien ce qu'on a démontré aux exemples 20 et 36.

Exemple 46. Avec f(x)=2x+3f(x) = \sqrt{2x + 3} et u0=0u_0 = 0 : u1=3≈1,732u_1 = \sqrt3 \approx 1{,}732, u2≈2,542u_2 \approx 2{,}542, u3≈2,843u_3 \approx 2{,}843, u4≈2,947u_4 \approx 2{,}947. L'escalier monte vers le point d'intersection de Cf\mathcal{C}_f et de Δ\Delta, d'abscisse 33 (car 2x+3=x\sqrt{2x + 3} = x équivaut, pour x≥0x \geq 0, à x2−2x−3=0x^2 - 2x - 3 = 0). On conjecture que la suite est croissante et qu'elle converge vers 33.

Exemple 47. Avec f(x)=−12x+3f(x) = -\dfrac12 x + 3, qui est décroissante, et u0=0u_0 = 0 : u1=3u_1 = 3, u2=1,5u_2 = 1{,}5, u3=2,25u_3 = 2{,}25, u4=1,875u_4 = 1{,}875. La construction dessine une spirale autour du point d'intersection, d'abscisse 22 : les termes se placent alternativement à gauche et à droite de 22, en s'en rapprochant. La suite n'est pas monotone ; on conjecture qu'elle converge vers 22.

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 00 : 1n,1n,110n,1nα (α reˊel strictement positif).\frac1n, \qquad \frac{1}{\sqrt n}, \qquad \frac{1}{10^n}, \qquad \frac{1}{n^\alpha} \ (\alpha \text{ réel strictement positif}). En Première, on les utilise avec α\alpha entier naturel non nul (1n2\frac{1}{n^2}, 1n3\frac{1}{n^3}…) ou α=12\alpha = \dfrac12, qui redonne 1n\dfrac{1}{\sqrt n}. Avec les théorèmes d'opérations, par exemple, 3+1n3→33 + \dfrac{1}{n^3} \to 3 et 5n−110n→0\dfrac{5}{\sqrt n} - \dfrac{1}{10^n} \to 0.

9.4 Passage à la limite dans une inégalité (admis)

Théorème. Si un≤vnu_n \leq v_n à partir d'un certain rang, et si (un)(u_n) et (vn)(v_n) convergent vers ℓ\ell et ℓ′\ell', alors ℓ≤ℓ′\ell \leq \ell'.

En particulier, si un≤Mu_n \leq M pour tout nn et si (un)(u_n) converge vers ℓ\ell, alors ℓ≤M\ell \leq M.

Attention. Les inégalités strictes deviennent larges à la limite : 1n>0\dfrac1n > 0 pour tout n≥1n \geq 1, et pourtant lim⁡1n=0\lim \dfrac1n = 0. De même, à l'exemple 20, un<4u_n < 4 pour tout nn, et la limite vaut exactement 44.

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Exercice 14

  • Exercice 14 : suites récurrentes, construction graphique

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