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Leçon 4

Suites définies par un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n)

Vidéo 4 : Les suites récurrentes · 4 min 05 s · sous-titres en français

Le cours écrit

4.1 Définition et représentation graphique

Soit ff une fonction définie sur un intervalle II tel que f(I)⊂If(I) \subset I (on dit que II est stable par ff). Si u0∈Iu_0 \in I, une récurrence immédiate montre que tous les termes unu_n sont définis et appartiennent à II.

Représentation graphique. Dans un repère orthonormé, on trace la courbe Cf\mathcal{C}_f et la droite Δ\Delta d'équation y=xy = x.

  1. On place u0u_0 sur l'axe des abscisses.
  2. Le point de Cf\mathcal{C}_f d'abscisse u0u_0 a pour ordonnée u1=f(u0)u_1 = f(u_0).
  3. On rejoint horizontalement la droite Δ\Delta : le point de Δ\Delta d'ordonnée u1u_1 a pour abscisse u1u_1. On reporte ainsi u1u_1 sur l'axe des abscisses.
  4. On recommence à partir de u1u_1.

On obtient un escalier quand ff est croissante, un escargot (une spirale) quand ff 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+2f(x) = \sqrt{x+2} et u0=0u_0 = 0. On trouve u1=2≈1,414u_1 = \sqrt2 \approx 1{,}414, u2=2+2≈1,848u_2 = \sqrt{2 + \sqrt2} \approx 1{,}848, u3≈1,962u_3 \approx 1{,}962, u4≈1,990u_4 \approx 1{,}990. L'escalier monte vers le point d'intersection de Cf\mathcal{C}_f et de Δ\Delta, d'abscisse 22. On conjecture que (un)(u_n) est croissante et converge vers 22.

4.2 Image d'une suite convergente par une fonction continue

Théorème (admis). Si (un)(u_n) converge vers ℓ\ell et si ff est continue en ℓ\ell, alors (f(un))\big(f(u_n)\big) converge vers f(ℓ)f(\ell).

Exemple 16.

  • 1n→0\frac1n \to 0 et exp⁡\exp est continue en 00, donc e1n→e0=1e^{\frac1n} \to e^0 = 1.
  • 4+1n2→44 + \frac{1}{n^2} \to 4 et la racine carrée est continue en 44, donc 4+1n2→2\sqrt{4 + \frac{1}{n^2}} \to 2.
  • 2+(12)n→22 + \left(\frac12\right)^n \to 2 et ln⁡\ln est continue en 22, donc ln⁡(2+(12)n)→ln⁡2\ln\left(2 + \left(\frac12\right)^n\right) \to \ln 2.

4.3 La limite est un point fixe

Théorème. Si un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) pour tout nn, si (un)(u_n) converge vers ℓ\ell et si ff est continue en ℓ\ell, alors f(ℓ)=ℓ.f(\ell) = \ell.

Démonstration. La suite (un+1)(u_{n+1}) est la suite (un)(u_n) décalée d'un rang : elle converge aussi vers ℓ\ell. D'après 4.2, (f(un))\big(f(u_n)\big) converge vers f(ℓ)f(\ell). Or f(un)=un+1f(u_n) = u_{n+1}. Par unicité de la limite, f(ℓ)=ℓf(\ell) = \ell.

Attention. Ce théorème ne prouve pas que la suite converge : il donne seulement les limites possibles. Par exemple, avec u0=1u_0 = 1 et un+1=2unu_{n+1} = 2u_n, le seul point fixe de x↦2xx \mapsto 2x est 00, et pourtant un=2n→+∞u_n = 2^n \to +\infty.

4.4 Méthode d'étude quand ff est croissante

  1. Bornes. On montre par récurrence que a≤un≤ba \leq u_n \leq b pour tout nn. Comme ff est croissante, a≤un≤ba \leq u_n \leq b donne f(a)≤un+1≤f(b)f(a) \leq u_{n+1} \leq f(b).
  2. Sens de variation. On montre par récurrence que un≤un+1u_n \leq u_{n+1} pour tout nn si u0≤u1u_0 \leq u_1 (ou un≥un+1u_n \geq u_{n+1} si u0≥u1u_0 \geq u_1). L'hérédité vient de la croissance de ff.
  3. Convergence. La suite est monotone et bornée : elle converge.
  4. Limite. Sa limite ℓ\ell vérifie a≤ℓ≤ba \leq \ell \leq b (théorème 3) et f(ℓ)=ℓf(\ell) = \ell (si ff est continue) : on résout cette équation.

Exemple 17. Soit u0=0u_0 = 0 et un+1=un+2u_{n+1} = \sqrt{u_n + 2}. La fonction f(x)=x+2f(x) = \sqrt{x+2} est continue et croissante sur [−2;+∞[[-2;+\infty[.

1. Bornes. On note P(n)\mathcal{P}(n) : « 0≤un≤20 \leq u_n \leq 2 ». P(0)\mathcal{P}(0) est vraie. Si 0≤un≤20 \leq u_n \leq 2, alors 2≤un+2≤42 \leq u_n + 2 \leq 4 et, la racine carrée étant croissante, 2≤un+1≤2\sqrt2 \leq u_{n+1} \leq 2. Donc 0≤un+1≤20 \leq u_{n+1} \leq 2.

2. Sens de variation. On note Q(n)\mathcal{Q}(n) : « un≤un+1u_n \leq u_{n+1} ». Q(0)\mathcal{Q}(0) est vraie : u0=0≤2=u1u_0 = 0 \leq \sqrt2 = u_1. Si un≤un+1u_n \leq u_{n+1}, alors, ff étant croissante, f(un)≤f(un+1)f(u_n) \leq f(u_{n+1}), c'est-à-dire un+1≤un+2u_{n+1} \leq u_{n+2}. La suite est croissante.

3. Convergence. (un)(u_n) est croissante et majorée par 22 : elle converge vers un réel ℓ\ell tel que 0≤ℓ≤20 \leq \ell \leq 2.

4. Limite. ff est continue en ℓ\ell, donc ℓ+2=ℓ\sqrt{\ell + 2} = \ell. Alors ℓ+2=ℓ2\ell + 2 = \ell^2, soit (ℓ−2)(ℓ+1)=0(\ell - 2)(\ell + 1) = 0. Comme ℓ≥0\ell \geq 0, on rejette −1-1 : lim⁡un=2\lim u_n = 2.

Remarque. Si ff est décroissante sur II, 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.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 7 et 8

  • Exercice 7 : image d'une suite, représentation graphique
  • Exercice 8 : étude complète d'une suite récurrente

Exercices du chapitre (PDF, 524 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 759 Ko)

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