Vidéo 6 : Compléments S1 et S3 · 3 min 22 s · sous-titres en français
Le cours écrit
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.