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Leçon 7

Convergence d'une suite

Vidéo 7 : Convergence d'une suite · 4 min 22 s · sous-titres en français

Le cours écrit

7.1 Une approche intuitive

Que deviennent les termes unu_n quand nn devient très grand ? On dit « quand nn tend vers +∞+\infty ».

Exemple 33. Soit un=1n+1u_n = \dfrac{1}{n + 1}. Alors u10=111≈0,09u_{10} = \dfrac{1}{11} \approx 0{,}09, u100=1101≈0,0099u_{100} = \dfrac{1}{101} \approx 0{,}0099, u1000=11001≈0,000 999u_{1000} = \dfrac{1}{1001} \approx 0{,}000\,999. Les termes se rapprochent de 00 autant que l'on veut : pour avoir un<0,001u_n < 0{,}001, il suffit que n+1>1 000n + 1 > 1\,000, c'est-à-dire n≥1 000n \geq 1\,000.

Définition (approche intuitive). On dit que la suite (un)(u_n) converge vers le réel ℓ\ell, ou qu'elle admet ℓ\ell pour limite, si les termes unu_n peuvent être aussi proches de ℓ\ell que l'on veut, à condition que nn soit suffisamment grand. On note lim⁡n→+∞un=ℓoulim⁡un=ℓ.\lim_{n \to +\infty} u_n = \ell \qquad \text{ou} \qquad \lim u_n = \ell. Graphiquement, les points Mn(n ;un)M_n(n\,;u_n) finissent par entrer, et rester, dans n'importe quelle bande horizontale aussi étroite que l'on veut autour de la droite y=ℓy = \ell.

Exemple 34. Soit un=2+(−1)nn+1u_n = 2 + \dfrac{(-1)^n}{n + 1}. Les termes valent 33 ; 1,51{,}5 ; 2,332{,}33 ; 1,751{,}75 ; 2,22{,}2… Sur un axe, ils sautent de part et d'autre de 22 en s'en rapprochant. L'écart entre unu_n et 22 vaut 1n+1\dfrac{1}{n + 1}, qui devient aussi petit que l'on veut : la suite converge vers 22.

Définition. Une suite qui ne converge pas est dite divergente. Il y a deux cas :

  • la suite tend vers +∞+\infty (ses termes deviennent aussi grands que l'on veut pour nn assez grand), ou vers −∞-\infty : c'est le cas de (n2)(n^2) ;
  • la suite n'a pas de limite : c'est le cas de ((−1)n)\big((-1)^n\big), qui vaut alternativement 11 et −1-1.

7.2 Théorèmes admis

Unicité. Si une suite admet une limite, cette limite est unique.

Suites un=f(n)u_n = f(n). Si lim⁡x→+∞f(x)=ℓ\displaystyle\lim_{x \to +\infty} f(x) = \ell (ℓ\ell réel, +∞+\infty ou −∞-\infty), alors lim⁡n→+∞f(n)=ℓ\displaystyle\lim_{n \to +\infty} f(n) = \ell. On utilise donc les limites en +∞+\infty du chapitre 2.

Suites de référence. Pour n≥1n \geq 1 : les suites (1n)\left(\dfrac1n\right), (1n2)\left(\dfrac{1}{n^2}\right) et (1n)\left(\dfrac{1}{\sqrt n}\right) convergent vers 00 ; les suites (n)(n), (n2)(n^2) et (n)(\sqrt n) tendent vers +∞+\infty.

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 : ∞−∞\infty - \infty, 0×∞0 \times \infty, ∞∞\dfrac{\infty}{\infty} et 00\dfrac00.

Exemple 35.

  • un=2n2+1n2+3u_n = \dfrac{2n^2 + 1}{n^2 + 3} : en +∞+\infty, la fonction rationnelle associée a la même limite que le quotient des termes de plus haut degré, 2x2x2=2\dfrac{2x^2}{x^2} = 2. Donc lim⁡un=2\lim u_n = 2.
  • un=2n+1n+3u_n = \dfrac{2n + 1}{n + 3} (exemples 12 et 13) : de même, lim⁡un=2\lim u_n = 2. La suite est croissante, majorée par 22, et ses termes se rapprochent de 22.
  • un=n2−3nu_n = n^2 - 3n (exemple 1) : c'est une forme ∞−∞\infty - \infty. On factorise : un=n2(1−3n)u_n = n^2\left(1 - \dfrac3n\right), avec n2→+∞n^2 \to +\infty et 1−3n→11 - \dfrac3n \to 1. Donc lim⁡un=+∞\lim u_n = +\infty.
  • wn=n2+1−nw_n = \sqrt{n^2 + 1} - n : forme ∞−∞\infty - \infty. Avec l'expression conjuguée, wn=(n2+1)−n2n2+1+n=1n2+1+nw_n = \dfrac{(n^2 + 1) - n^2}{\sqrt{n^2 + 1} + n} = \dfrac{1}{\sqrt{n^2 + 1} + n}. Le dénominateur tend vers +∞+\infty, donc lim⁡wn=0\lim w_n = 0.

7.3 Limites des suites arithmétiques et géométriques

Suites arithmétiques. Si un=u0+nru_n = u_0 + nr : lorsque r>0r > 0, lim⁡un=+∞\lim u_n = +\infty ; lorsque r<0r < 0, lim⁡un=−∞\lim u_n = -\infty ; lorsque r=0r = 0, la suite est constante. Une suite arithmétique de raison non nulle est donc divergente.

Suites géométriques : la suite (qn)(q^n) (théorème admis).

qq q≤−1q \leq -1 −1<q<1-1 < q < 1 q=1q = 1 q>1q > 1
lim⁡n→+∞qn\displaystyle\lim_{n \to +\infty} q^n pas de limite 00 11 +∞+\infty

À la calculatrice : 0,9100≈0,000 0270{,}9^{100} \approx 0{,}000\,027 et 1,011 000≈20 9591{,}01^{1\,000} \approx 20\,959 ; même une raison à peine plus grande que 11 finit par dépasser tout nombre. Par exemple, (110)n=110n\left(\dfrac{1}{10}\right)^n = \dfrac{1}{10^n} tend vers 00.

Conséquence. Si −1<q<1-1 < q < 1, la suite géométrique un=u0 qnu_n = u_0\,q^n converge vers 00.

Exemple 36 (suite des exemples 2, 6 et 19). un=4−3×(12)nu_n = 4 - 3 \times \left(\dfrac12\right)^n. Comme −1<12<1-1 < \dfrac12 < 1, (12)n→0\left(\dfrac12\right)^n \to 0, donc lim⁡un=4\lim u_n = 4. On retrouve ce que montrait l'axe à l'exemple 6 : les termes s'accumulent près de 44.

Exemple 37 (suite de l'exemple 32). 1+12+⋯+12n=2−12n1 + \dfrac12 + \cdots + \dfrac{1}{2^n} = 2 - \dfrac{1}{2^n} tend vers 22. On peut le voir sur une bande de longueur 22 : on en couvre la moitié, puis la moitié de ce qui reste, et ainsi de suite.

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Exercice 12

  • Exercice 12 : calculer des limites

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Corrigés

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