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Limite d'une suite
Le cours écrit
2.1 Suite convergente, suite divergente
On s'intéresse au comportement de quand devient très grand, ce qu'on écrit « quand tend vers ».
Définition. Soit un réel. La suite converge vers (ou tend vers ) si devient aussi proche de qu'on veut dès que est assez grand. Autrement dit, tout intervalle ouvert contenant contient tous les termes à partir d'un certain rang. On note
- Unicité (admise). Si une suite a une limite, cette limite est unique.
- La suite tend vers si dépasse n'importe quel réel dès que 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 , qui vaut alternativement et .
Exemple 6. Soit pour . Les termes valent ; ; ; ; … Ils se rapprochent de , alternativement par-dessous et par-dessus. Comme , dès que le terme est à moins de de . La suite converge vers .
2.2 Suites définies par
Propriété (admise). Si , où est un réel, ou , alors .
Ainsi, les suites , , tendent vers ; les suites , , , , tendent vers ; la suite tend vers .
Exemple 7.
- : en , la fonction rationnelle associée a la même limite que , donc .
- : par croissance comparée (chapitre 3), en , donc .
- () : en , donc .
Attention, la réciproque est fausse. La suite vaut pour tout : elle converge vers . Pourtant la fonction 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, , , et , et on les lève par les mêmes méthodes.
Exemple 8. Calculer la limite de .
C'est une forme . On multiplie par l'expression conjuguée : Le dénominateur tend vers , donc .
2.4 Théorèmes de comparaison
Ces théorèmes sont admis. Ce sont ceux du chapitre 1, où « pour assez grand » devient « à partir d'un certain rang ».
Théorème 1 (minoration, majoration).
- Si à partir d'un certain rang et , alors .
- Si à partir d'un certain rang et , alors .
Théorème 2 (théorème des gendarmes). Si à partir d'un certain rang, et si et convergent vers le même réel , alors converge vers .
Conséquence. Si à partir d'un certain rang et , alors .
Théorème 3 (passage à la limite dans une inégalité). Si à partir d'un certain rang, et si et convergent vers et , alors . En particulier, si pour tout et si converge vers , alors .
Attention. Les inégalités strictes deviennent larges à la limite : pour tout , et pourtant .
Exemple 9.
- : comme , on a , et . Par le théorème 1, .
- () : , et . Par la conséquence du théorème 2, .
2.5 Suites monotones
Théorème (admis).
- Toute suite croissante et majorée converge.
- Toute suite décroissante et minorée converge.
Si est croissante et converge vers , alors pour tout , et 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 un réel. La suite n'est pas majorée par , donc il existe un rang tel que . Comme elle est croissante, pour tout . Tous les termes dépassent à partir du rang .
Attention. Le théorème affirme que la suite converge, sans donner sa limite. Un majorant n'est pas forcément la limite : est croissante et majorée par , mais sa limite est .
Exemple 10. Soit pour .
Sens de variation. : la suite est strictement croissante.
Majoration. Montrons par récurrence que pour tout . Pour : . Si , alors car .
Conclusion. pour tout . La suite est croissante et majorée par : elle converge vers un réel . Sa valeur exacte, , est hors de portée du programme.
Exercices 3 et 4
- Exercice 3 : calculer des limites
- Exercice 4 : deux sommes
Corrigés
Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.