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Leçon 1

Raisonnement par récurrence, sens de variation

Vidéo 1 : Raisonnement par récurrence et sens de variation · 4 min 53 s · sous-titres en français

Le cours écrit

1.1 Ce que tu sais déjà (Première)

Une suite numérique (un)(u_n) associe à chaque entier naturel nn un réel unu_n, appelé terme de rang nn. On la définit de deux façons :

  • de façon explicite, un=f(n)u_n = f(n) : par exemple un=3n+1n+2u_n = \dfrac{3n+1}{n+2}. On calcule directement n'importe quel terme ;
  • par récurrence, avec u0u_0 donné et un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) : par exemple u0=1u_0 = 1 et un+1=2un+1u_{n+1} = 2u_n + 1. Chaque terme se calcule à partir du précédent : u1=3u_1 = 3, u2=7u_2 = 7, u3=15u_3 = 15.

On représente une suite par les points de coordonnées (n ;un)(n\,;u_n), ou par ses termes placés sur un axe.

1.2 Le raisonnement par récurrence

Principe. Soit P(n)\mathcal{P}(n) une propriété qui dépend d'un entier naturel nn, et n0n_0 un entier naturel. Si :

  1. Initialisation : P(n0)\mathcal{P}(n_0) est vraie ;
  2. Hérédité : pour tout entier n≥n0n \geq n_0, si P(n)\mathcal{P}(n) est vraie, alors P(n+1)\mathcal{P}(n+1) est vraie ;

alors P(n)\mathcal{P}(n) est vraie pour tout entier n≥n0n \geq n_0.

C'est l'image d'une file de dominos : le premier tombe (initialisation), et chaque domino qui tombe fait tomber le suivant (hérédité). Alors tous tombent.

Exemple 1. Soit (un)(u_n) définie par u0=1u_0 = 1 et un+1=2un+1u_{n+1} = 2u_n + 1. Montrer que un=2n+1−1u_n = 2^{n+1} - 1 pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}.

Pour n∈Nn \in \mathbb{N}, on note P(n)\mathcal{P}(n) : « un=2n+1−1u_n = 2^{n+1} - 1 ».

Initialisation. u0=1u_0 = 1 et 21−1=12^1 - 1 = 1 : P(0)\mathcal{P}(0) est vraie.

Hérédité. Soit n∈Nn \in \mathbb{N} tel que P(n)\mathcal{P}(n) est vraie, c'est-à-dire un=2n+1−1u_n = 2^{n+1} - 1. Alors un+1=2un+1=2(2n+1−1)+1=2n+2−1,u_{n+1} = 2u_n + 1 = 2\left(2^{n+1} - 1\right) + 1 = 2^{n+2} - 1, donc P(n+1)\mathcal{P}(n+1) est vraie.

Conclusion. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, un=2n+1−1u_n = 2^{n+1} - 1.

Exemple 2 (inégalité de Bernoulli). Soit aa un réel strictement positif. Montrer que (1+a)n≥1+na(1+a)^n \geq 1 + na pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}.

Initialisation. (1+a)0=1(1+a)^0 = 1 et 1+0×a=11 + 0 \times a = 1 : l'inégalité est vraie pour n=0n = 0.

Hérédité. Supposons (1+a)n≥1+na(1+a)^n \geq 1 + na pour un entier nn. On multiplie par 1+a1 + a, qui est strictement positif : (1+a)n+1≥(1+na)(1+a)=1+(n+1)a+na2≥1+(n+1)a,(1+a)^{n+1} \geq (1+na)(1+a) = 1 + (n+1)a + na^2 \geq 1 + (n+1)a, car na2≥0na^2 \geq 0. L'inégalité est vraie au rang n+1n + 1.

Conclusion. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, (1+a)n≥1+na(1+a)^n \geq 1 + na. Ce résultat servira à la leçon 3.

Attention : les deux étapes sont indispensables. Prenons P(n)\mathcal{P}(n) : « 10n+110^n + 1 est divisible par 99 ». L'hérédité est vraie : si 10n+1=9k10^n + 1 = 9k, alors 10n+1+1=10(10n+1)−9=9(10k−1)10^{n+1} + 1 = 10\left(10^n + 1\right) - 9 = 9(10k - 1). Pourtant l'initialisation est fausse (100+1=210^0 + 1 = 2), et P(n)\mathcal{P}(n) est fausse pour tout nn : 10n−1=99…910^n - 1 = 99\ldots9 est divisible par 99, donc 10n+1=(10n−1)+210^n + 1 = \left(10^n - 1\right) + 2 a pour reste 22 dans la division par 99.

1.3 Sens de variation

Définitions. La suite (un)(u_n) est :

  • croissante si un+1≥unu_{n+1} \geq u_n pour tout nn ; strictement croissante si un+1>unu_{n+1} > u_n pour tout nn ;
  • décroissante si un+1≤unu_{n+1} \leq u_n pour tout nn ; strictement décroissante si un+1<unu_{n+1} < u_n pour tout nn ;
  • monotone si elle est croissante ou décroissante ; constante si un+1=unu_{n+1} = u_n pour tout nn.

Méthodes.

  1. Étudier le signe de un+1−unu_{n+1} - u_n.
  2. Si tous les termes sont strictement positifs, comparer un+1un\dfrac{u_{n+1}}{u_n} à 11.
  3. Si un=f(n)u_n = f(n) avec ff monotone sur [0;+∞[[0;+\infty[, la suite a le même sens de variation que ff.
  4. Pour une suite définie par un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n), on raisonne par récurrence (leçon 4).

Attention. La méthode 3 ne vaut que pour un=f(n)u_n = f(n). Pour un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n), le sens de variation de ff ne donne pas celui de la suite : avec f(x)=x+2f(x) = \sqrt{x+2}, qui est croissante, et u0=7u_0 = 7, on obtient u1=3u_1 = 3 et u2=5≈2,24u_2 = \sqrt5 \approx 2{,}24 : la suite décroît.

Exemple 3. Étudier le sens de variation de un=3n+1n+2u_n = \dfrac{3n+1}{n+2}.

un+1−un=3n+4n+3−3n+1n+2=(3n+4)(n+2)−(3n+1)(n+3)(n+2)(n+3)=5(n+2)(n+3)>0.u_{n+1} - u_n = \frac{3n+4}{n+3} - \frac{3n+1}{n+2} = \frac{(3n+4)(n+2) - (3n+1)(n+3)}{(n+2)(n+3)} = \frac{5}{(n+2)(n+3)} > 0. La suite (un)(u_n) est strictement croissante. Autre méthode : un=f(n)u_n = f(n) avec f(x)=3x+1x+2f(x) = \dfrac{3x+1}{x+2}, et f′(x)=5(x+2)2>0f'(x) = \dfrac{5}{(x+2)^2} > 0 sur [0;+∞[[0;+\infty[.

Exemple 4. Étudier le sens de variation de vn=n2nv_n = \dfrac{n}{2^n} pour n≥1n \geq 1.

Les termes sont strictement positifs et vn+1vn=n+12n+1×2nn=n+12n\dfrac{v_{n+1}}{v_n} = \dfrac{n+1}{2^{n+1}} \times \dfrac{2^n}{n} = \dfrac{n+1}{2n}. Pour n≥1n \geq 1, n+1≤2nn + 1 \leq 2n, donc vn+1vn≤1\dfrac{v_{n+1}}{v_n} \leq 1 : la suite (vn)(v_n) est décroissante à partir du rang 11. (Elle ne l'est pas depuis le rang 00 : v0=0<v1=12v_0 = 0 < v_1 = \frac12.)

1.4 Suites majorées, minorées, bornées, périodiques

Définitions. La suite (un)(u_n) est :

  • majorée s'il existe un réel MM tel que un≤Mu_n \leq M pour tout nn ;
  • minorée s'il existe un réel mm tel que un≥mu_n \geq m pour tout nn ;
  • bornée si elle est à la fois majorée et minorée.

Une suite croissante est minorée par son premier terme ; une suite décroissante est majorée par son premier terme.

Exemple 5. On reprend un=3n+1n+2u_n = \dfrac{3n+1}{n+2}. On remarque que un=3−5n+2u_n = 3 - \dfrac{5}{n+2}. Comme 5n+2>0\dfrac{5}{n+2} > 0, on a un<3u_n < 3 : la suite est majorée par 33. Elle est croissante, donc minorée par u0=12u_0 = \frac12. Ainsi 12≤un<3\dfrac12 \leq u_n < 3 pour tout nn : la suite est bornée.

Suites périodiques. La suite (un)(u_n) est périodique de période pp (pp entier naturel non nul) si un+p=unu_{n+p} = u_n pour tout nn. Par exemple, un=(−1)nu_n = (-1)^n est périodique de période 22, et wn=cos⁡(nπ2)w_n = \cos\left(\dfrac{n\pi}{2}\right), qui vaut 1,0,−1,0,1,…1, 0, -1, 0, 1, \ldots, est périodique de période 44. Une suite périodique ne prend qu'un nombre fini de valeurs : elle est bornée.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 1 et 2

  • Exercice 1 : raisonner par récurrence
  • Exercice 2 : sens de variation, suites bornées

Exercices du chapitre (PDF, 524 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 759 Ko)

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