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Leçon 3

Suites arithmétiques et géométriques

Vidéo 3 : Suites arithmétiques et géométriques · 4 min 36 s · sous-titres en français

Le cours écrit

3.1 Suites arithmétiques (rappels)

Définition. (un)(u_n) est arithmétique de raison rr si un+1=un+ru_{n+1} = u_n + r pour tout nn.

Propriété Formule
Terme général un=u0+nru_n = u_0 + nr, et plus généralement un=up+(n−p)ru_n = u_p + (n-p)r
Sens de variation strictement croissante si r>0r > 0, strictement décroissante si r<0r < 0
Limite +∞+\infty si r>0r > 0, −∞-\infty si r<0r < 0
Somme des entiers 1+2+⋯+n=n(n+1)21 + 2 + \cdots + n = \dfrac{n(n+1)}{2}
Somme de termes consécutifs S=(nombre de termes)×premier terme+dernier terme2S = (\text{nombre de termes}) \times \dfrac{\text{premier terme} + \text{dernier terme}}{2}

Exemple 11. (un)(u_n) est arithmétique, avec u0=5u_0 = 5 et r=3r = 3. Alors un=5+3nu_n = 5 + 3n et u20=65u_{20} = 65. La somme S=u0+u1+⋯+u20S = u_0 + u_1 + \cdots + u_{20} compte 2121 termes : S=21×5+652=735.S = 21 \times \frac{5 + 65}{2} = 735.

3.2 Suites géométriques (rappels)

Définition. (un)(u_n) est géométrique de raison qq si un+1=q unu_{n+1} = q\,u_n pour tout nn.

Propriété Formule
Terme général un=u0 qnu_n = u_0\,q^n, et plus généralement un=up qn−pu_n = u_p\,q^{n-p}
Somme des puissances (q≠1q \neq 1) 1+q+q2+⋯+qn=∑k=0nqk=1−qn+11−q1 + q + q^2 + \cdots + q^n = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} q^k = \dfrac{1 - q^{n+1}}{1 - q}
Somme de termes consécutifs (q≠1q \neq 1) S=(premier terme)×1−qnombre de termes1−qS = (\text{premier terme}) \times \dfrac{1 - q^{\text{nombre de termes}}}{1 - q}

La formule de la somme vient de l'identité de Première : (1+q+⋯+qn)(1−q)=1−qn+1\left(1 + q + \cdots + q^n\right)(1 - q) = 1 - q^{n+1}.

Exemple 12. (un)(u_n) est géométrique, avec u2=12u_2 = 12 et u5=96u_5 = 96. Comme u5=u2 q3u_5 = u_2\,q^3, on a q3=8q^3 = 8, donc q=2q = 2, puis u0=u2q2=3u_0 = \dfrac{u_2}{q^2} = 3 et un=3×2nu_n = 3 \times 2^n. La somme des dix premiers termes vaut u0+u1+⋯+u9=3×1−2101−2=3×1023=3069.u_0 + u_1 + \cdots + u_9 = 3 \times \frac{1 - 2^{10}}{1 - 2} = 3 \times 1023 = 3069.

3.3 Limite de qnq^n

Théorème. Soit qq un réel.

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

Démonstration.

  • Si q>1q > 1, on écrit q=1+aq = 1 + a avec a>0a > 0. L'inégalité de Bernoulli (exemple 2) donne qn≥1+naq^n \geq 1 + na. Comme 1+na→+∞1 + na \to +\infty, le théorème 1 donne qn→+∞q^n \to +\infty.
  • Si −1<q<1-1 < q < 1 et q≠0q \neq 0, on a 1∣q∣>1\frac{1}{|q|} > 1, donc (1∣q∣)n→+∞\left(\frac{1}{|q|}\right)^n \to +\infty et ∣qn−0∣=∣q∣n=1(1∣q∣)n→0|q^n - 0| = |q|^n = \dfrac{1}{\left(\frac{1}{|q|}\right)^n} \to 0. La conséquence du théorème 2 donne qn→0q^n \to 0. Le cas q=0q = 0 est immédiat.
  • Si q=1q = 1, la suite est constante, égale à 11.
  • Si q≤−1q \leq -1, les termes sont alternativement supérieurs ou égaux à 11 et inférieurs ou égaux à −1-1 : la suite n'a pas de limite.

Conséquence. Si −1<q<1-1 < q < 1, alors 1+q+⋯+qn=1−qn+11−q1 + q + \cdots + q^n = \dfrac{1 - q^{n+1}}{1 - q} tend vers 11−q\dfrac{1}{1-q}.

Exemple 13.

  • (0,9)n→0(0{,}9)^n \to 0 et (−12)n→0\left(-\frac12\right)^n \to 0, tandis que (1,01)n→+∞(1{,}01)^n \to +\infty : même une raison à peine plus grande que 11 finit par dépasser tout nombre.
  • 1+12+14+⋯+12n=1−(12)n+11−12=2−12n1 + \dfrac12 + \dfrac14 + \cdots + \dfrac{1}{2^n} = \dfrac{1 - \left(\frac12\right)^{n+1}}{1 - \frac12} = 2 - \dfrac{1}{2^n}, qui tend vers 22.

3.4 Suites définies par un+1=a un+bu_{n+1} = a\,u_n + b

On suppose a≠1a \neq 1 (sinon la suite est arithmétique) et a≠0a \neq 0.

Méthode.

  1. On cherche le réel α\alpha tel que α=aα+b\alpha = a\alpha + b, c'est-à-dire α=b1−a\alpha = \dfrac{b}{1-a}.
  2. On pose vn=un−αv_n = u_n - \alpha. Alors vn+1=(a un+b)−(aα+b)=a(un−α)=a vnv_{n+1} = (a\,u_n + b) - (a\alpha + b) = a(u_n - \alpha) = a\,v_n : la suite (vn)(v_n) est géométrique de raison aa.
  3. Donc vn=v0 anv_n = v_0\,a^n, puis un=α+(u0−α) anu_n = \alpha + (u_0 - \alpha)\,a^n.
  4. Si −1<a<1-1 < a < 1, alors an→0a^n \to 0 et lim⁡un=α\lim u_n = \alpha.

Exemple 14 (un modèle simplifié). Un malade reçoit chaque jour, à la même heure, une injection de 44 mg d'un médicament. En 2424 heures, son organisme élimine 20 %20\,\% de la quantité présente. On note unu_n la quantité de médicament, en mg, présente juste après la (n+1)(n+1)-ième injection. Ainsi u0=4u_0 = 4 et un+1=0,8 un+4u_{n+1} = 0{,}8\,u_n + 4.

  1. α=0,8 α+4  ⟺  0,2 α=4  ⟺  α=20\alpha = 0{,}8\,\alpha + 4 \iff 0{,}2\,\alpha = 4 \iff \alpha = 20.
  2. vn=un−20v_n = u_n - 20 définit une suite géométrique de raison 0,80{,}8, avec v0=4−20=−16v_0 = 4 - 20 = -16.
  3. Donc vn=−16×0,8nv_n = -16 \times 0{,}8^n et un=20−16×0,8nu_n = 20 - 16 \times 0{,}8^n.
  4. Comme 0<0,8<10 < 0{,}8 < 1, 0,8n→00{,}8^n \to 0 et lim⁡un=20\lim u_n = 20 : la quantité se stabilise vers 2020 mg, sans jamais l'atteindre.
  5. À partir de quel rang a-t-on un≥19u_n \geq 19 ? un≥19  ⟺  16×0,8n≤1  ⟺  nln⁡0,8≤−ln⁡16  ⟺  n≥ln⁡16−ln⁡0,8≈12,4u_n \geq 19 \iff 16 \times 0{,}8^n \leq 1 \iff n\ln 0{,}8 \leq -\ln 16 \iff n \geq \dfrac{\ln 16}{-\ln 0{,}8} \approx 12{,}4, car ln⁡0,8<0\ln 0{,}8 < 0. C'est donc à partir de n=13n = 13, c'est-à-dire de la 14e14^{\text{e}} injection.

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Exercices 5 et 6

  • Exercice 5 : calculs et limites
  • Exercice 6 : un modèle d'évolution

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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