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Évaluation de progression · Chapitre 5

Devoir sur 20 : Suites numériques

Devoir d'une heure, sur 20 points. Les exercices 1 à 3 sont communs aux séries S1-S3 et S2-S4 ; l'exercice 4 existe en deux versions, une par série. Calculatrice autorisée. Seuil proposé : 10/20. Corrigé et barème à la fin.

Sujet

Exercice 1 (5 points)

Soit (un)(u_n) la suite définie pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} par un=4n+1n+1u_n = \dfrac{4n + 1}{n + 1}.

  1. Calculer u0u_0, u1u_1 et u2u_2. (1 point)
  2. Montrer que un=4−3n+1u_n = 4 - \dfrac{3}{n + 1} pour tout nn. (1 point)
  3. Étudier le sens de variation de la suite (un)(u_n). (1,5 point)
  4. Montrer que 1≤un<41 \leq u_n < 4 pour tout nn. (1 point)
  5. Déterminer la limite de la suite (un)(u_n). (0,5 point)

Exercice 2 (5 points)

Partie A. (an)(a_n) est une suite arithmétique telle que a2=11a_2 = 11 et a7=26a_7 = 26.

  1. Calculer sa raison, puis son premier terme a0a_0, et exprimer ana_n en fonction de nn. (1 point)
  2. Calculer a19a_{19}, puis S=a0+a1+⋯+a19S = a_0 + a_1 + \cdots + a_{19}. (1 point)
  3. Le nombre 100100 est-il un terme de cette suite ? (0,5 point)

Partie B. (vn)(v_n) est la suite géométrique de premier terme v0=81v_0 = 81 et de raison 13\dfrac13.

  1. Exprimer vnv_n en fonction de nn et donner le sens de variation de la suite. (1 point)
  2. Calculer ∑k=04vk\displaystyle\sum_{k=0}^{4} v_k. (1 point)
  3. Déterminer la limite de la suite (vn)(v_n). (0,5 point)

Exercice 3 (6 points)

Soit (un)(u_n) la suite définie par u0=0u_0 = 0 et, pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, un+1=13un+2u_{n+1} = \dfrac13 u_n + 2.

  1. Calculer u1u_1, u2u_2 et u3u_3 (valeurs exactes). (1 point)
  2. Démontrer par récurrence que un<3u_n < 3 pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}. (1,5 point)
  3. Montrer que la suite (un)(u_n) est strictement croissante. (1 point)
  4. On pose vn=un−3v_n = u_n - 3.
    a. Montrer que la suite (vn)(v_n) est géométrique de raison 13\dfrac13 ; préciser v0v_0. (1 point)
    b. En déduire que un=3−3×(13)nu_n = 3 - 3 \times \left(\dfrac13\right)^n. (1 point)
  5. Déterminer la limite de la suite (un)(u_n). (0,5 point)

Exercice 4 (4 points) S2 · S4

  1. Déterminer le réel xx pour que x−1x - 1, x+2x + 2, 2x+12x + 1 soient, dans cet ordre, en progression arithmétique. Donner les trois réels. (1,5 point)
  2. Trois réels strictement positifs sont en progression géométrique ; leur produit vaut 1 0001\,000 et leur somme 3535. Déterminer ces trois réels. (2,5 points)
Corrigé et barème (après avoir cherché)

Exercice 1

  1. u0=1u_0 = 1, u1=52u_1 = \dfrac52, u2=93=3u_2 = \dfrac93 = 3. (1 point)
  2. 4−3n+1=4(n+1)−3n+1=4n+1n+1=un4 - \dfrac{3}{n + 1} = \dfrac{4(n + 1) - 3}{n + 1} = \dfrac{4n + 1}{n + 1} = u_n. (1 point)
  3. un+1−un=3n+1−3n+2=3(n+1)(n+2)>0u_{n+1} - u_n = \dfrac{3}{n + 1} - \dfrac{3}{n + 2} = \dfrac{3}{(n + 1)(n + 2)} > 0 : la suite est strictement croissante. (1,5 point ; on accepte aussi l'étude de f(x)=4x+1x+1f(x) = \dfrac{4x + 1}{x + 1}, de dérivée 3(x+1)2>0\dfrac{3}{(x + 1)^2} > 0.)
  4. 3n+1>0\dfrac{3}{n + 1} > 0, donc un<4u_n < 4. La suite est croissante, donc un≥u0=1u_n \geq u_0 = 1. (1 point)
  5. 3n+1→0\dfrac{3}{n + 1} \to 0, donc lim⁡un=4\lim u_n = 4. (0,5 point)

Exercice 2

Partie A.

  1. a7=a2+5ra_7 = a_2 + 5r, donc 5r=155r = 15 et r=3r = 3. Puis a0=a2−2r=5a_0 = a_2 - 2r = 5, et an=5+3na_n = 5 + 3n. (1 point)
  2. a19=62a_{19} = 62. SS compte 2020 termes : S=20×5+622=670S = 20 \times \dfrac{5 + 62}{2} = 670. (1 point)
  3. 5+3n=1005 + 3n = 100 donne 3n=953n = 95, qui n'est pas un multiple de 33 : 100100 n'est pas un terme. (0,5 point)

Partie B.

  1. vn=81×(13)n=813nv_n = 81 \times \left(\dfrac13\right)^n = \dfrac{81}{3^n}. Comme v0>0v_0 > 0 et 0<13<10 < \dfrac13 < 1, la suite est strictement décroissante. (1 point)
  2. ∑k=04vk=81×1−(13)51−13=81×242243×32=121\displaystyle\sum_{k=0}^{4} v_k = 81 \times \frac{1 - \left(\frac13\right)^5}{1 - \frac13} = 81 \times \frac{242}{243} \times \frac32 = 121. Vérification : 81+27+9+3+1=12181 + 27 + 9 + 3 + 1 = 121. (1 point)
  3. −1<13<1-1 < \dfrac13 < 1, donc lim⁡vn=0\lim v_n = 0. (0,5 point)

Exercice 3

  1. u1=2u_1 = 2, u2=23+2=83u_2 = \dfrac23 + 2 = \dfrac83, u3=89+2=269u_3 = \dfrac89 + 2 = \dfrac{26}{9}. (1 point)
  2. Initialisation. u0=0<3u_0 = 0 < 3. Hérédité. Si un<3u_n < 3, alors 13un<1\dfrac13 u_n < 1, donc un+1=13un+2<3u_{n+1} = \dfrac13 u_n + 2 < 3. Conclusion. un<3u_n < 3 pour tout nn. (1,5 point : 0,5 par étape)
  3. un+1−un=2−23un=23(3−un)>0u_{n+1} - u_n = 2 - \dfrac23 u_n = \dfrac23(3 - u_n) > 0, car un<3u_n < 3 : la suite est strictement croissante. (1 point)
  4. a. vn+1=un+1−3=13un−1=13(un−3)=13vnv_{n+1} = u_{n+1} - 3 = \dfrac13 u_n - 1 = \dfrac13(u_n - 3) = \dfrac13 v_n : la suite (vn)(v_n) est géométrique de raison 13\dfrac13, et v0=u0−3=−3v_0 = u_0 - 3 = -3. (1 point)
    b. vn=−3×(13)nv_n = -3 \times \left(\dfrac13\right)^n, donc un=vn+3=3−3×(13)nu_n = v_n + 3 = 3 - 3 \times \left(\dfrac13\right)^n. (1 point)
  5. (13)n→0\left(\dfrac13\right)^n \to 0, donc lim⁡un=3\lim u_n = 3. (0,5 point)

Exercice 4 S2 · S4

  1. Il faut (x−1)+(2x+1)=2(x+2)(x - 1) + (2x + 1) = 2(x + 2), soit 3x=2x+43x = 2x + 4, donc x=4x = 4. Les réels sont 33, 66, 99. (1,5 point)
  2. On les écrit bq\dfrac bq, bb, bqbq (avec b>0b > 0 et q>0q > 0). Leur produit vaut b3=1 000b^3 = 1\,000, donc b=10b = 10. (1 point) Leur somme donne 10q+10+10q=35\dfrac{10}{q} + 10 + 10q = 35, soit 10q2−25q+10=010q^2 - 25q + 10 = 0, ou 2q2−5q+2=02q^2 - 5q + 2 = 0 : q=2q = 2 ou q=12q = \dfrac12. (1 point) Les réels sont 55, 1010, 2020 (ou 2020, 1010, 55). (0,5 point)
Compétences évaluées
Exercice Objectifs de la fiche
Ex. 1 O1 Calculer des termes ; O3 Sens de variation ; O5 Majorer, minorer ; O9 Limite d'une suite un=f(n)u_n = f(n)
Ex. 2 O7 Suites arithmétiques ; O8 Suites géométriques, sommes, notation ∑\sum ; O10 Limite de qnq^n
Ex. 3 O1 Suite récurrente ; O6 Raisonnement par récurrence ; O3 Sens de variation ; O8 Démontrer qu'une suite est géométrique ; O10 Limite
S2 · S4 Ex. 4 O11 Réels en progression arithmétique ou géométrique
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