Programme de S1 Version pour les séries S1, S3 et S1A.
On utilise librement les chapitres 1 à 3 : limites et théorèmes de comparaison pour les fonctions, continuité, inégalité des accroissements finis, fonctions ln et exp, croissances comparées.
Le programme se place dans le cadre des suites définies pour tout entier naturel n. Tout ce qui suit s'étend sans changement aux suites définies à partir d'un certain rang n0.
Leçon 1 : Raisonnement par récurrence, sens de variation
Une suite numérique(un) associe à chaque entier naturel n un réel un, appelé terme de rang n. On la définit de deux façons :
de façon explicite, un=f(n) : par exemple un=n+23n+1. On calcule directement n'importe quel terme ;
par récurrence, avec u0 donné et un+1=f(un) : par exemple u0=1 et un+1=2un+1. Chaque terme se calcule à partir du précédent : u1=3, u2=7, u3=15.
On représente une suite par les points de coordonnées (n;un), ou par ses termes placés sur un axe.
1.2 Le raisonnement par récurrence
Principe. Soit P(n) une propriété qui dépend d'un entier naturel n, et n0 un entier naturel. Si :
Initialisation : P(n0) est vraie ;
Hérédité : pour tout entier n≥n0, si P(n) est vraie, alors P(n+1) est vraie ;
alors P(n) est vraie pour tout entier n≥n0.
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) définie par u0=1 et un+1=2un+1. Montrer que un=2n+1−1 pour tout n∈N.
Pour n∈N, on note P(n) : « un=2n+1−1 ».
Initialisation.u0=1 et 21−1=1 : P(0) est vraie.
Hérédité. Soit n∈N tel que P(n) est vraie, c'est-à-dire un=2n+1−1. Alors
un+1=2un+1=2(2n+1−1)+1=2n+2−1,
donc P(n+1) est vraie.
Conclusion. Pour tout n∈N, un=2n+1−1.
Exemple 2 (inégalité de Bernoulli). Soit a un réel strictement positif. Montrer que (1+a)n≥1+na pour tout n∈N.
Initialisation.(1+a)0=1 et 1+0×a=1 : l'inégalité est vraie pour n=0.
Hérédité. Supposons (1+a)n≥1+na pour un entier n. On multiplie par 1+a, qui est strictement positif :
(1+a)n+1≥(1+na)(1+a)=1+(n+1)a+na2≥1+(n+1)a,
car na2≥0. L'inégalité est vraie au rang n+1.
Conclusion. Pour tout n∈N, (1+a)n≥1+na. Ce résultat servira à la leçon 3.
Attention : les deux étapes sont indispensables. Prenons P(n) : « 10n+1 est divisible par 9 ». L'hérédité est vraie : si 10n+1=9k, alors 10n+1+1=10(10n+1)−9=9(10k−1). Pourtant l'initialisation est fausse (100+1=2), et P(n) est fausse pour tout n : 10n−1=99…9 est divisible par 9, donc 10n+1=(10n−1)+2 a pour reste 2 dans la division par 9.
1.3 Sens de variation
Définitions. La suite (un) est :
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 ;
monotone si elle est croissante ou décroissante ; constante si un+1=un pour tout n.
Méthodes.
Étudier le signe de un+1−un.
Si tous les termes sont strictement positifs, comparer unun+1 à 1.
Si un=f(n) avec f monotone sur [0;+∞[, la suite a le même sens de variation que f.
Pour une suite définie par un+1=f(un), on raisonne par récurrence (leçon 4).
Attention. La méthode 3 ne vaut que pour un=f(n). Pour un+1=f(un), le sens de variation de f ne donne pas celui de la suite : avec f(x)=x+2, qui est croissante, et u0=7, on obtient u1=3 et u2=5≈2,24 : la suite décroît.
Exemple 3. Étudier le sens de variation de un=n+23n+1.
un+1−un=n+33n+4−n+23n+1=(n+2)(n+3)(3n+4)(n+2)−(3n+1)(n+3)=(n+2)(n+3)5>0.
La suite (un) est strictement croissante. Autre méthode : un=f(n) avec f(x)=x+23x+1, et f′(x)=(x+2)25>0 sur [0;+∞[.
Exemple 4. Étudier le sens de variation de vn=2nn pour n≥1.
Les termes sont strictement positifs et vnvn+1=2n+1n+1×n2n=2nn+1. Pour n≥1, n+1≤2n, donc vnvn+1≤1 : la suite (vn) est décroissante à partir du rang 1. (Elle ne l'est pas depuis le rang 0 : v0=0<v1=21.)
majorée s'il existe un réel M tel que un≤M pour tout n ;
minorée s'il existe un réel m tel que un≥m pour tout n ;
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=n+23n+1. On remarque que un=3−n+25. Comme n+25>0, on a un<3 : la suite est majorée par 3. Elle est croissante, donc minorée par u0=21. Ainsi 21≤un<3 pour tout n : la suite est bornée.
Suites périodiques. La suite (un) est périodique de période p (p entier naturel non nul) si un+p=un pour tout n. Par exemple, un=(−1)n est périodique de période 2, et wn=cos(2nπ), qui vaut 1,0,−1,0,1,…, est périodique de période 4. Une suite périodique ne prend qu'un nombre fini de valeurs : elle est bornée.
On s'intéresse au comportement de un quand n devient très grand, ce qu'on écrit « quand n tend vers +∞ ».
Définition. Soit ℓ un réel. La suite (un)converge vers ℓ (ou tend vers ℓ) si un devient aussi proche de ℓ qu'on veut dès que n est assez grand. Autrement dit, tout intervalle ouvert contenant ℓ contient tous les termes un à partir d'un certain rang. On note
limn→+∞un=ℓ.
Unicité (admise). Si une suite a une limite, cette limite est unique.
La suite (un)tend vers +∞ si un dépasse n'importe quel réel A dès que n est assez grand. Même idée pour −∞.
Une suite qui ne converge pas est dite divergente : soit elle tend vers +∞ ou −∞, soit elle n'a pas de limite, comme ((−1)n), qui vaut alternativement 1 et −1.
Exemple 6. Soit un=1+n(−1)n pour n≥1. Les termes valent 0 ; 1,5 ; 0,67 ; 1,25 ; 0,8… Ils se rapprochent de 1, alternativement par-dessous et par-dessus. Comme ∣un−1∣=n1, dès que n>100 le terme un est à moins de 0,01 de 1. La suite converge vers 1.
2.2 Suites définies par un=f(n)
Propriété (admise). Si x→+∞limf(x)=ℓ, où ℓ est un réel, +∞ ou −∞, alors n→+∞limf(n)=ℓ.
Ainsi, les suites n1, n21, n1 tendent vers 0 ; les suites n, n2, n, lnn, en tendent vers +∞ ; la suite e−n tend vers 0.
Exemple 7.
un=n2+32n2+1 : en +∞, la fonction rationnelle associée a la même limite que x22x2, donc limun=2.
vn=ne−n : par croissance comparée (chapitre 3), xe−x→0 en +∞, donc limvn=0.
wn=nlnn (n≥1) : xlnx→0 en +∞, donc limwn=0.
Attention, la réciproque est fausse. La suite un=sin(πn) vaut 0 pour tout n : elle converge vers 0. Pourtant la fonction x↦sin(πx) n'a pas de limite en +∞.
2.3 Opérations sur les limites
Les règles sont les mêmes que pour les fonctions (chapitre 1) : limite d'une somme, d'un produit, d'un quotient, d'une racine carrée. Les quatre formes indéterminées sont les mêmes, ∞−∞, 0×∞, ∞∞ et 00, et on les lève par les mêmes méthodes.
Exemple 8. Calculer la limite de un=n+1−n.
C'est une forme ∞−∞. On multiplie par l'expression conjuguée :
un=n+1+n(n+1)−n=n+1+n1.
Le dénominateur tend vers +∞, donc limun=0.
2.4 Théorèmes de comparaison
Ces théorèmes sont admis. Ce sont ceux du chapitre 1, où « pour x assez grand » devient « à partir d'un certain rang ».
Théorème 1 (minoration, majoration).
Si un≥vn à partir d'un certain rang et limvn=+∞, alors limun=+∞.
Si un≤vn à partir d'un certain rang et limvn=−∞, alors limun=−∞.
Théorème 2 (théorème des gendarmes). Si vn≤un≤wn à partir d'un certain rang, et si (vn) et (wn) convergent vers le même réel ℓ, alors (un) converge vers ℓ.
Conséquence. Si ∣un−ℓ∣≤vn à partir d'un certain rang et limvn=0, alors limun=ℓ.
Théorème 3 (passage à la limite dans une inégalité). 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 a≤un≤b pour tout n et si (un) converge vers ℓ, alors a≤ℓ≤b.
Attention. Les inégalités strictes deviennent larges à la limite : n1>0 pour tout n≥1, et pourtant limn1=0.
Exemple 9.
un=n+(−1)n : comme (−1)n≥−1, on a un≥n−1, et n−1→+∞. Par le théorème 1, limun=+∞.
vn=2+ncosn (n≥1) : ∣vn−2∣=n∣cosn∣≤n1, et n1→0. Par la conséquence du théorème 2, limvn=2.
2.5 Suites monotones
Théorème (admis).
Toute suite croissante et majorée converge.
Toute suite décroissante et minorée converge.
Si (un) est croissante et converge vers ℓ, alors un≤ℓ pour tout n, et ℓ est inférieur ou égal à tout majorant de la suite (théorème 3).
Propriété. Une suite croissante et non majorée tend vers +∞. Une suite décroissante et non minorée tend vers −∞.
Démonstration du premier point. Soit A un réel. La suite n'est pas majorée par A, donc il existe un rang N tel que uN>A. Comme elle est croissante, un≥uN>A pour tout n≥N. Tous les termes dépassent A à partir du rang N.
Attention. Le théorème affirme que la suite converge, sans donner sa limite. Un majorant n'est pas forcément la limite : un=1−n1 est croissante et majorée par 5, mais sa limite est 1.
Exemple 10. Soit Sn=1+221+321+⋯+n21=k=1∑nk21 pour n≥1.
Sens de variation.Sn+1−Sn=(n+1)21>0 : la suite est strictement croissante.
Majoration. Montrons par récurrence que Sn≤2−n1 pour tout n≥1. Pour n=1 : S1=1=2−1. Si Sn≤2−n1, alors
Sn+1=Sn+(n+1)21≤2−n1+(n+1)21≤2−n+11,
car n1−n+11=n(n+1)1≥(n+1)21.
Conclusion.Sn≤2 pour tout n. La suite est croissante et majorée par 2 : elle converge vers un réel ℓ≤2. Sa valeur exacte, 6π2≈1,645, est hors de portée du programme.
Définition.(un) est arithmétique de raison r si un+1=un+r pour tout n.
Propriété
Formule
Terme général
un=u0+nr, et plus généralement un=up+(n−p)r
Sens de variation
strictement croissante si r>0, strictement décroissante si r<0
Limite
+∞ si r>0, −∞ si r<0
Somme des entiers
1+2+⋯+n=2n(n+1)
Somme de termes consécutifs
S=(nombre de termes)×2premier terme+dernier terme
Exemple 11.(un) est arithmétique, avec u0=5 et r=3. Alors un=5+3n et u20=65. La somme S=u0+u1+⋯+u20 compte 21 termes :
S=21×25+65=735.
3.2 Suites géométriques (rappels)
Définition.(un) est géométrique de raison q si un+1=qun pour tout n.
Propriété
Formule
Terme général
un=u0qn, et plus généralement un=upqn−p
Somme des puissances (q=1)
1+q+q2+⋯+qn=k=0∑nqk=1−q1−qn+1
Somme de termes consécutifs (q=1)
S=(premier terme)×1−q1−qnombre de termes
La formule de la somme vient de l'identité de Première : (1+q+⋯+qn)(1−q)=1−qn+1.
Exemple 12.(un) est géométrique, avec u2=12 et u5=96. Comme u5=u2q3, on a q3=8, donc q=2, puis u0=q2u2=3 et un=3×2n. La somme des dix premiers termes vaut
u0+u1+⋯+u9=3×1−21−210=3×1023=3069.
3.3 Limite de qn
Théorème. Soit q un réel.
q
q≤−1
−1<q<1
q=1
q>1
n→+∞limqn
pas de limite
0
1
+∞
Démonstration.
Si q>1, on écrit q=1+a avec a>0. L'inégalité de Bernoulli (exemple 2) donne qn≥1+na. Comme 1+na→+∞, le théorème 1 donne qn→+∞.
Si −1<q<1 et q=0, on a ∣q∣1>1, donc (∣q∣1)n→+∞ et ∣qn−0∣=∣q∣n=(∣q∣1)n1→0. La conséquence du théorème 2 donne qn→0. Le cas q=0 est immédiat.
Si q=1, la suite est constante, égale à 1.
Si q≤−1, les termes sont alternativement supérieurs ou égaux à 1 et inférieurs ou égaux à −1 : la suite n'a pas de limite.
Conséquence. Si −1<q<1, alors 1+q+⋯+qn=1−q1−qn+1 tend vers 1−q1.
Exemple 13.
(0,9)n→0 et (−21)n→0, tandis que (1,01)n→+∞ : même une raison à peine plus grande que 1 finit par dépasser tout nombre.
1+21+41+⋯+2n1=1−211−(21)n+1=2−2n1, qui tend vers 2.
3.4 Suites définies par un+1=aun+b
On suppose a=1 (sinon la suite est arithmétique) et a=0.
Méthode.
On cherche le réel α tel que α=aα+b, c'est-à-dire α=1−ab.
On pose vn=un−α. Alors vn+1=(aun+b)−(aα+b)=a(un−α)=avn : la suite (vn) est géométrique de raison a.
Donc vn=v0an, puis un=α+(u0−α)an.
Si −1<a<1, alors an→0 et limun=α.
Exemple 14 (un modèle simplifié). Un malade reçoit chaque jour, à la même heure, une injection de 4 mg d'un médicament. En 24 heures, son organisme élimine 20% de la quantité présente. On note un la quantité de médicament, en mg, présente juste après la (n+1)-ième injection. Ainsi u0=4 et un+1=0,8un+4.
α=0,8α+4⟺0,2α=4⟺α=20.
vn=un−20 définit une suite géométrique de raison 0,8, avec v0=4−20=−16.
Donc vn=−16×0,8n et un=20−16×0,8n.
Comme 0<0,8<1, 0,8n→0 et limun=20 : la quantité se stabilise vers 20 mg, sans jamais l'atteindre.
À partir de quel rang a-t-on un≥19 ? un≥19⟺16×0,8n≤1⟺nln0,8≤−ln16⟺n≥−ln0,8ln16≈12,4, car ln0,8<0. C'est donc à partir de n=13, c'est-à-dire de la 14e injection.
Soit f une fonction définie sur un intervalle I tel que f(I)⊂I (on dit que I est stable par f). Si u0∈I, une récurrence immédiate montre que tous les termes un sont définis et appartiennent à I.
Représentation graphique. Dans un repère orthonormé, on trace la courbe Cf et la droite Δ d'équation y=x.
On place u0 sur l'axe des abscisses.
Le point de Cf d'abscisse u0 a pour ordonnée u1=f(u0).
On rejoint horizontalement la droite Δ : le point de Δ d'ordonnée u1 a pour abscisse u1. On reporte ainsi u1 sur l'axe des abscisses.
On recommence à partir de u1.
On obtient un escalier quand f est croissante, un escargot (une spirale) quand f est décroissante. Le dessin, comme un tableau de valeurs à la calculatrice, permet de conjecturer le sens de variation et la limite éventuelle. Une conjecture doit ensuite être démontrée.
Exemple 15.f(x)=x+2 et u0=0. On trouve u1=2≈1,414, u2=2+2≈1,848, u3≈1,962, u4≈1,990. L'escalier monte vers le point d'intersection de Cf et de Δ, d'abscisse 2. On conjecture que (un) est croissante et converge vers 2.
4.2 Image d'une suite convergente par une fonction continue
Théorème (admis). Si (un) converge vers ℓ et si f est continue en ℓ, alors (f(un)) converge vers f(ℓ).
Exemple 16.
n1→0 et exp est continue en 0, donc en1→e0=1.
4+n21→4 et la racine carrée est continue en 4, donc 4+n21→2.
2+(21)n→2 et ln est continue en 2, donc ln(2+(21)n)→ln2.
4.3 La limite est un point fixe
Théorème. Si un+1=f(un) pour tout n, si (un) converge vers ℓ et si f est continue en ℓ, alors
f(ℓ)=ℓ.
Démonstration. La suite (un+1) est la suite (un) décalée d'un rang : elle converge aussi vers ℓ. D'après 4.2, (f(un)) converge vers f(ℓ). Or f(un)=un+1. Par unicité de la limite, f(ℓ)=ℓ.
Attention. Ce théorème ne prouve pas que la suite converge : il donne seulement les limites possibles. Par exemple, avec u0=1 et un+1=2un, le seul point fixe de x↦2x est 0, et pourtant un=2n→+∞.
4.4 Méthode d'étude quand f est croissante
Bornes. On montre par récurrence que a≤un≤b pour tout n. Comme f est croissante, a≤un≤b donne f(a)≤un+1≤f(b).
Sens de variation. On montre par récurrence que un≤un+1 pour tout n si u0≤u1 (ou un≥un+1 si u0≥u1). L'hérédité vient de la croissance de f.
Convergence. La suite est monotone et bornée : elle converge.
Limite. Sa limite ℓ vérifie a≤ℓ≤b (théorème 3) et f(ℓ)=ℓ (si f est continue) : on résout cette équation.
Exemple 17. Soit u0=0 et un+1=un+2. La fonction f(x)=x+2 est continue et croissante sur [−2;+∞[.
1. Bornes. On note P(n) : « 0≤un≤2 ». P(0) est vraie. Si 0≤un≤2, alors 2≤un+2≤4 et, la racine carrée étant croissante, 2≤un+1≤2. Donc 0≤un+1≤2.
2. Sens de variation. On note Q(n) : « un≤un+1 ». Q(0) est vraie : u0=0≤2=u1. Si un≤un+1, alors, f étant croissante, f(un)≤f(un+1), c'est-à-dire un+1≤un+2. La suite est croissante.
3. Convergence.(un) est croissante et majorée par 2 : elle converge vers un réel ℓ tel que 0≤ℓ≤2.
4. Limite.f est continue en ℓ, donc ℓ+2=ℓ. Alors ℓ+2=ℓ2, soit (ℓ−2)(ℓ+1)=0. Comme ℓ≥0, on rejette −1 : limun=2.
Remarque. Si f est décroissante sur I, la suite n'est en général pas monotone : ses termes sont alternativement d'un côté et de l'autre de la limite (l'escargot). On utilise alors la méthode de la leçon 5.
Leçon 5 : Accroissements finis et valeur approchée d'une limite
Hypothèses.f est dérivable sur un intervalle I stable par f, u0∈I, ℓ∈I vérifie f(ℓ)=ℓ, et il existe un réel k tel que 0≤k<1 et ∣f′(x)∣≤k pour tout x∈I.
Pour tout n, un et ℓ sont dans I. L'inégalité des accroissements finis (chapitre 2, forme 2) donne f(un)−f(ℓ)≤k∣un−ℓ∣, c'est-à-dire
∣un+1−ℓ∣≤k∣un−ℓ∣.
Par récurrence, ∣un−ℓ∣≤kn∣u0−ℓ∣ pour tout n. L'initialisation est immédiate ; pour l'hérédité, ∣un+1−ℓ∣≤k∣un−ℓ∣≤k×kn∣u0−ℓ∣.
Comme 0≤k<1, kn→0. La conséquence du théorème des gendarmes donne limun=ℓ.
En prime, l'inégalité ∣un−ℓ∣≤kn∣u0−ℓ∣ mesure l'écart entre un et ℓ : un est une valeur approchée de ℓ avec une précision connue.
Cette méthode marche que f soit croissante ou décroissante. On l'utilise aussi quand on ne sait pas calculer ℓ : on prouve alors son existence avec le théorème des valeurs intermédiaires (chapitre 1).
5.2 Un exemple : le nombre d'or
Exemple 18. Soit u0=2 et un+1=1+un1. On pose f(x)=1+x1 et I=[23;2].
1. Intervalle stable.f est décroissante sur I, donc f(I)=[f(2);f(23)]=[23;35]⊂I. Comme u0=2∈I, tous les termes sont dans I.
2. Point fixe. Pour x=0, x=1+x1⟺x2−x−1=0⟺x=21±5. Seul φ=21+5≈1,618 est dans I. C'est le nombre d'or.
3. Majoration de la dérivée.f′(x)=−x21, donc pour x∈I : ∣f′(x)∣=x21≤(23)21=94.
4. Inégalités. On a ∣un+1−φ∣≤94∣un−φ∣, puis ∣un−φ∣≤(94)n∣u0−φ∣. Comme u0 et φ sont dans I, de longueur 21, on a ∣u0−φ∣≤21. Donc
∣un−φ∣≤21(94)n.
5. Limite.0≤94<1, donc (94)n→0 et limun=φ.
6. Précision.21(94)n≤10−3⟺(94)n≤2×10−3⟺n≥ln49ln500≈7,66. Pour n=8, u8=5589≈1,61818 est donc une valeur approchée de φ à 10−3 près.
Les termes 2,23,35,58,813,… sont des quotients de nombres consécutifs de la suite de Fibonacci 1,1,2,3,5,8,13,…. Ils sont alternativement au-dessus et au-dessous de φ : c'est l'escargot.
Leçon 6 : Compléments pour les séries S1, S3 et S1AS1 · S3 · S1A
6.1 Image d'une suite par une fonction : le cas général
Théorème (admis). Soit f une fonction définie sur un intervalle I et (un) une suite de points de I. Si n→+∞limun=L et x→Llimf(x)=a, où L et a sont finis ou non, alors
limn→+∞f(un)=a.
Cet énoncé, condensé pour être retenu, regroupe plusieurs cas qu'il faut savoir distinguer.
Cas
Exemple
L réel et f continue en L : a=f(L)
en1→1 (leçon 4)
un=n, donc L=+∞
un=f(n) (leçon 2) : nlnn→0
L réel et a infini
n1→0+ et lnx→−∞ en 0+, donc lnn1→−∞
L=+∞ et a réel
n2+1→+∞ et e−x→0 en +∞, donc e−(n2+1)→0
L réel et f non définie en L
nsinn1→1 (exemple 19)
Exemple 19.
nsinn1=f(n1) avec f(x)=xsinx. Comme n1→0 et xsinx→1 quand x→0 (Première S1), on a limnsinn1=1.
nln(1+n1)=g(n1) avec g(x)=xln(1+x), qui tend vers 1 en 0 (chapitre 3). Donc limnln(1+n1)=1.
On en déduit (1+n1)n=enln(1+n1)→e1=e, car exp est continue en 1. La convergence est lente : (1+10001)1000≈2,7169, alors que e≈2,7183.
6.2 Suites de référence
Le programme S1-S3 demande de connaître les limites des suites (lnn), (nα) (α réel) et (an) (a réel strictement positif), et de comparer leurs comportements. Tout découle de la leçon 2 (un=f(n)) et du chapitre 3.
Suite
lnn
nα, α>0
nα, α<0
an, a>1
an, 0<a<1
Limite
+∞
+∞
0
+∞
0
Pour α=0 ou a=1, la suite est constante, égale à 1.
Théorème (croissance comparée). Pour tout réel α>0, tout réel a>1 et tout réel b tel que 0<b<1 :
limn→+∞nαlnn=0limn→+∞nαan=+∞limn→+∞nαbn=0.
Justification. Les deux premières limites sont celles des fonctions xαlnx et xαax en +∞ (chapitre 3, compléments S1). Pour la troisième, nαbn=cnnα avec c=b1>1.
La hiérarchie à retenir. En +∞, pour α>0 et a>1 : lnn est négligeable devant nα, qui est lui-même négligeable devant an, ce qu'on résume par lnn≪nα≪an.
Exemple 20.
2nn5→0, car n52n→+∞.
n(lnn)2=(nlnn)2→0.
3n2n+n3=(32)n+n3(31)n→0+0=0.
6.3 Conjecturer avec prudence
Le programme demande de conjecturer le comportement d'une suite à la calculatrice ou sur un graphique. Il faut rester prudent. La suite un=1,1nn10 tend vers 0 par croissance comparée. Pourtant u100≈7,3×1015 : la suite croît jusqu'au rang 105, et ses termes ne passent sous 1 qu'à partir du rang 686. Une conjecture faite sur les premiers termes aurait été fausse : seule la démonstration tranche.
Ce qu'il faut retenir du chapitre
Récurrence : initialisation, puis hérédité. Les deux étapes sont indispensables.
Sens de variation : signe de un+1−un, comparaison de unun+1 à 1, sens de variation de f si un=f(n), récurrence si un+1=f(un).
Limites : si un=f(n), la limite de f en +∞ donne celle de la suite ; opérations et comparaisons comme pour les fonctions.
Une suite croissante et majorée converge ; une suite décroissante et minorée converge.
qn→0 si −1<q<1, qn→+∞ si q>1 ; 1+q+⋯+qn=1−q1−qn+1.
un+1=aun+b : on cherche α=aα+b, et vn=un−α est géométrique de raison a.
un+1=f(un) : bornes et monotonie par récurrence ; si la suite converge vers ℓ et f est continue en ℓ, alors f(ℓ)=ℓ.
Si ∣f′∣≤k<1 sur un intervalle stable : ∣un−ℓ∣≤kn∣u0−ℓ∣, ce qui prouve la convergence et donne une valeur approchée.
S1 · S3 · S1A Image d'une suite par une fonction dans tous les cas ; en +∞, lnn≪nα≪an (α>0, a>1).
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