Tle
Raisonnement par récurrence · Limites de suites, formes indéterminées, comparaison, convergence monotone
En première, on a appris à calculer les termes d'une suite et à reconnaître sa nature. En terminale, deux questions nouvelles se posent : comment prouver qu'une formule est vraie pour tous les entiers, et que devient $u_n$ lorsque $n$ devient très grand ? La première question se traite par le raisonnement par récurrence, une démonstration en deux temps qui fonctionne comme une chaîne de dominos. La seconde est la question de la limite : la suite se rapproche-t-elle d'un nombre, s'envole-t-elle vers l'infini, ou n'a-t-elle aucune limite ? La difficulté principale est de rédiger la récurrence sans oublier d'étape, et de ne pas conclure trop vite face à une forme indéterminée.

Prérequis : Suites numériques, Puissances. Pour s'entraîner : Exercices : suites, récurrence et limites.

Le raisonnement par récurrence (Tle)

On veut prouver qu'une propriété $P(n)$ est vraie pour tout entier $n \geqslant n_0$. Le principe de récurrence dit qu'il suffit de vérifier deux choses :

Initialisation :
$P(n_0)$ est vraie (le premier domino tombe).
Hérédité :
pour un entier $n \geqslant n_0$ fixé, si $P(n)$ est vraie, alors $P(n+1)$ est vraie (chaque domino renverse le suivant).

On conclut alors que $P(n)$ est vraie pour tout $n \geqslant n_0$. Les deux étapes sont indispensables : sans initialisation, aucun domino ne tombe ; sans hérédité, la chute s'arrête.

Méthode : rédiger une récurrence
  1. Énoncer clairement la propriété $P(n)$ (une égalité, une inégalité, une divisibilité).
  2. Initialisation : vérifier $P(n_0)$ par un calcul explicite.
  3. Hérédité : écrire « Soit $n \geqslant n_0$. Supposons $P(n)$ vraie » (hypothèse de récurrence), puis utiliser cette hypothèse pour établir $P(n+1)$.
  4. Conclusion : « $P(n)$ est vraie pour tout $n \geqslant n_0$ ».

La suite $(u_n)$ est définie par $u_0 = 2$ et $u_{n+1} = 2u_n - 1$. Montrons que pour tout $n$, $u_n = 2^n + 1$.

Initialisation. $2^0 + 1 = 2 = u_0$ : $P(0)$ est vraie.

Hérédité. Soit $n \geqslant 0$. Supposons $u_n = 2^n + 1$. Alors

$$\begin{aligned}u_{n+1} &= 2u_n - 1 = 2\left(2^n + 1\right) - 1 & \text{(hypothèse de récurrence)} \\ u_{n+1} &= 2^{n+1} + 2 - 1 = 2^{n+1} + 1.\end{aligned}$$

Donc $P(n+1)$ est vraie.

Conclusion. Pour tout entier $n \geqslant 0$, $u_n = 2^n + 1$.

Exercice 1 — Rédiger une récurrence, étape par étape (Tle)

La suite $(u_n)$ est définie par $u_0 = 2$ et $u_{n+1} = 2u_n + 1$. On veut montrer que pour tout entier $n$, $u_n = 3 \times 2^n - 1$. Compléter la démonstration.

  1. Initialisation. $3 \times 2^{…} - 1 = …$ et $u_0 = …$ : la propriété est vraie au rang $0$.
  2. Hérédité. Soit $n \geqslant 0$. Supposons que $u_n = …$ Alors $u_{n+1} = 2u_n + 1 = 2\left(…\right) + 1 = … - 2 + 1 = 3 \times 2^{…} - 1$.
  3. Conclusion. …
  4. Vérifier la formule en calculant $u_1$ et $u_2$ de deux façons.
▶ Solution — Exercice 1
  1. $3 \times 2^0 - 1 = 3 - 1 = 2$ et $u_0 = 2$ : la propriété est vraie au rang $0$.
  2. Soit $n \geqslant 0$. Supposons que $u_n = 3 \times 2^n - 1$. Alors $u_{n+1} = 2u_n + 1 = 2\left(3 \times 2^n - 1\right) + 1 = 3 \times 2^{n+1} - 2 + 1 = 3 \times 2^{n+1} - 1$. La propriété est vraie au rang $n + 1$.
  3. Pour tout entier $n \geqslant 0$, $u_n = 3 \times 2^n - 1$.
  4. Par la relation : $u_1 = 2 \times 2 + 1 = 5$ et $u_2 = 2 \times 5 + 1 = 11$. Par la formule : $3 \times 2 - 1 = 5$ et $3 \times 4 - 1 = 11$. ✓
Exercice 2 — Démontrer par récurrence (Tle)
  1. Montrer que pour tout entier $n \geqslant 1$, $1 + 2 + 3 + \dots + n = \dfrac{n(n+1)}{2}$.
  2. Montrer que pour tout entier $n \geqslant 0$, $4^n - 1$ est un multiple de $3$.
  3. La suite $(u_n)$ est définie par $u_0 = 1$ et $u_{n+1} = \sqrt{u_n + 6}$. Montrer que pour tout entier $n$, $0 \leqslant u_n \leqslant 3$.
▶ Solution — Exercice 2
  1. Initialisation. Pour $n = 1$ : la somme vaut $1$ et $\dfrac{1 \times 2}{2} = 1$. Vraie. Hérédité. Soit $n \geqslant 1$. Supposons $1 + 2 + \dots + n = \dfrac{n(n+1)}{2}$. Alors

    $$\begin{aligned}1 + 2 + \dots + n + (n+1) &= \dfrac{n(n+1)}{2} + (n+1) = \dfrac{n(n+1) + 2(n+1)}{2} \\ 1 + 2 + \dots + (n+1) &= \dfrac{(n+1)(n+2)}{2},\end{aligned}$$

    qui est la formule au rang $n+1$. Conclusion : vraie pour tout $n \geqslant 1$.

  2. Initialisation. $4^0 - 1 = 0 = 3 \times 0$ : multiple de $3$. Hérédité. Soit $n \geqslant 0$. Supposons $4^n - 1 = 3k$ avec $k$ entier. Alors $4^{n+1} - 1 = 4 \times 4^n - 1 = 4(3k + 1) - 1 = 12k + 3 = 3(4k + 1)$, multiple de $3$. Conclusion : $4^n - 1$ est un multiple de $3$ pour tout $n \geqslant 0$.
  3. Initialisation. $u_0 = 1$ et $0 \leqslant 1 \leqslant 3$. Vraie. Hérédité. Soit $n \geqslant 0$. Supposons $0 \leqslant u_n \leqslant 3$. Alors $6 \leqslant u_n + 6 \leqslant 9$, et comme la fonction racine carrée est croissante, $\sqrt{6} \leqslant \sqrt{u_n + 6} \leqslant 3$, donc $0 \leqslant u_{n+1} \leqslant 3$. Conclusion : pour tout $n$, $0 \leqslant u_n \leqslant 3$.
Limite d'une suite (Tle)
Suite convergente :
$(u_n)$ converge vers le réel $\ell$ si $u_n$ se rapproche de $\ell$ autant qu'on veut lorsque $n$ grandit : tout intervalle ouvert contenant $\ell$ contient tous les $u_n$ à partir d'un certain rang. On note $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = \ell$.
Suite divergente vers $+\infty$ :
$u_n$ dépasse n'importe quel nombre $A$ à partir d'un certain rang. On note $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = +\infty$ (de même vers $-\infty$).
Pas de limite :
certaines suites ne convergent pas et ne tendent pas vers l'infini, comme $u_n = (-1)^n$, qui alterne entre $-1$ et $1$.
Limites de référence (Tle)
SuiteLimite quand $n \to +\infty$
$n$,   $n^2$,   $n^3$,   $\sqrt{n}$$+\infty$
$\dfrac{1}{n}$,   $\dfrac{1}{n^2}$,   $\dfrac{1}{\sqrt{n}}$$0$
$q^n$ avec $q > 1$$+\infty$
$q^n$ avec $-1 < q < 1$$0$
$q^n$ avec $q = 1$$1$
$q^n$ avec $q \leqslant -1$pas de limite

Pour une suite géométrique $u_n = u_0 \times q^n$, tout dépend donc de la raison $q$ : si $-1 < q < 1$, elle converge vers $0$ ; si $q > 1$ et $u_0 > 0$, elle tend vers $+\infty$.

Exercice 3 — Limites de référence et suites géométriques (Tle)
  1. Donner la limite de chaque suite, en justifiant par une limite de référence.

    • a) $u_n = 5 + \dfrac{1}{n}$
    • b) $v_n = 3n^2 - 7$
    • c) $w_n = 0{,}8^n$
    • d) $x_n = 2 \times 1{,}05^n$
    • e) $y_n = 1 - \dfrac{3}{n^2}$
    • f) $z_n = (-2)^n$
  2. Un capital de $2000$ € est placé à $4\,\%$ par an : $C_n = 2000 \times 1{,}04^n$. Donner la limite de $(C_n)$ et l'interpréter.
  3. Un médicament s'élimine de $25\,\%$ par heure : $m_n = 200 \times 0{,}75^n$ (en mg). Donner la limite de $(m_n)$ et l'interpréter.
▶ Solution — Exercice 3
  1.  

    1. $\dfrac{1}{n} \to 0$, donc $u_n \to 5$.
    2. $n^2 \to +\infty$, donc $3n^2 \to +\infty$ et $v_n \to +\infty$.
    3. $-1 < 0{,}8 < 1$, donc $w_n = 0{,}8^n \to 0$.
    4. $1{,}05 > 1$, donc $1{,}05^n \to +\infty$ et $x_n \to +\infty$.
    5. $\dfrac{3}{n^2} \to 0$, donc $y_n \to 1$.
    6. $-2 \leqslant -1$ : la suite $(-2)^n$ alterne entre des valeurs positives et négatives de plus en plus grandes en valeur absolue, elle n'a pas de limite.
  2. $1{,}04 > 1$, donc $1{,}04^n \to +\infty$ et $C_n \to +\infty$ : le capital dépasse n'importe quelle somme si l'on attend assez longtemps (sans limite théorique).
  3. $0 < 0{,}75 < 1$, donc $0{,}75^n \to 0$ et $m_n \to 0$ : la quantité de médicament dans l'organisme tend vers zéro, sans jamais l'atteindre exactement.
Opérations sur les limites (Tle)

Si $u_n \to \ell$ et $v_n \to \ell'$ (réels), alors $u_n + v_n \to \ell + \ell'$, $u_n v_n \to \ell \ell'$ et, si $\ell' \neq 0$, $\dfrac{u_n}{v_n} \to \dfrac{\ell}{\ell'}$. Avec des limites infinies, les règles sont celles du bon sens ($\ell + \infty = \infty$, $\ell \times (+\infty) = \pm\infty$ selon le signe de $\ell \neq 0$, $\dfrac{\ell}{\pm\infty} = 0$), sauf dans quatre cas où l'on ne peut pas conclure directement, les formes indéterminées : $$\text{«~}+\infty - \infty\text{~»}, \qquad \text{«~}0 \times \infty\text{~»}, \qquad \text{«~}\dfrac{\infty}{\infty}\text{~»}, \qquad \text{«~}\dfrac{0}{0}\text{~»}.$$

Méthode : lever une forme indéterminée
  1. Repérer le terme dominant (la plus grande puissance de $n$, ou la plus grande base pour des puissances).
  2. Le mettre en facteur au numérateur et au dénominateur.
  3. Les autres termes tendent alors vers $0$ et la limite se lit directement.

A. $u_n = n^2 - 4n$ est de la forme « $+\infty - \infty$ ». On factorise : $u_n = n^2\left(1 - \dfrac{4}{n}\right)$. Or $n^2 \to +\infty$ et $1 - \dfrac{4}{n} \to 1$, donc $u_n \to +\infty$.

B. $v_n = \dfrac{3n + 2}{n - 1}$ est de la forme « $\dfrac{\infty}{\infty}$ ». On factorise par $n$ : $v_n = \dfrac{n\left(3 + \frac{2}{n}\right)}{n\left(1 - \frac{1}{n}\right)} = \dfrac{3 + \frac{2}{n}}{1 - \frac{1}{n}} \to \dfrac{3}{1} = 3$.

Exercice 4 — Lever une forme indéterminée, étape par étape (Tle)
  1. Compléter : $u_n = 3n^2 - 5n + 1 = n^2\left(3 - \dfrac{…}{n} + \dfrac{…}{n^2}\right)$. Or $n^2 \to …$ et $3 - \dfrac{5}{n} + \dfrac{1}{n^2} \to …$, donc $u_n \to …$
  2. Compléter : $v_n = \dfrac{2n + 1}{n + 3} = \dfrac{n\left(…\right)}{n\left(…\right)} = \dfrac{2 + \frac{1}{n}}{…} \to \dfrac{…}{…} = …$
  3. Déterminer la limite de $w_n = \dfrac{5 \times 2^n + 1}{2^n}$.
  4. Déterminer la limite de $x_n = n - \sqrt{n}$. Indication : $n = \sqrt{n} \times \sqrt{n}$.
▶ Solution — Exercice 4
  1. $u_n = n^2\left(3 - \dfrac{5}{n} + \dfrac{1}{n^2}\right)$. Or $n^2 \to +\infty$ et $3 - \dfrac{5}{n} + \dfrac{1}{n^2} \to 3$, donc $u_n \to +\infty$ (produit d'une suite tendant vers $+\infty$ par une suite tendant vers $3 > 0$).
  2. $v_n = \dfrac{n\left(2 + \frac{1}{n}\right)}{n\left(1 + \frac{3}{n}\right)} = \dfrac{2 + \frac{1}{n}}{1 + \frac{3}{n}} \to \dfrac{2}{1} = 2$.
  3. $w_n = \dfrac{5 \times 2^n}{2^n} + \dfrac{1}{2^n} = 5 + \left(\dfrac{1}{2}\right)^n$. Comme $\left(\dfrac{1}{2}\right)^n \to 0$, $w_n \to 5$.
  4. $x_n = \sqrt{n}\left(\sqrt{n} - 1\right)$. Or $\sqrt{n} \to +\infty$ et $\sqrt{n} - 1 \to +\infty$, donc $x_n \to +\infty$. La forme « $+\infty - \infty$ » est levée par la factorisation.
Théorèmes de comparaison (Tle)

On suppose les inégalités vraies à partir d'un certain rang.

Comparaison :
si $u_n \leqslant v_n$ et $u_n \to +\infty$, alors $v_n \to +\infty$. Si $u_n \leqslant v_n$ et $v_n \to -\infty$, alors $u_n \to -\infty$.
Encadrement (gendarmes) :
si $u_n \leqslant v_n \leqslant w_n$ et si $u_n$ et $w_n$ tendent vers le même réel $\ell$, alors $v_n \to \ell$.

Ces théorèmes servent dès qu'une suite contient un terme borné mais sans limite, comme $(-1)^n$, $\cos(n)$ ou $\sin(n)$.

Soit $u_n = \dfrac{(-1)^n}{n}$ pour $n \geqslant 1$. Comme $-1 \leqslant (-1)^n \leqslant 1$, on a $-\dfrac{1}{n} \leqslant u_n \leqslant \dfrac{1}{n}$. Or $-\dfrac{1}{n} \to 0$ et $\dfrac{1}{n} \to 0$ : d'après le théorème des gendarmes, $u_n \to 0$.

Exercice 5 — Encadrer pour conclure (Tle)

Déterminer la limite de chaque suite ($n \geqslant 1$) à l'aide d'un théorème de comparaison.

  1. $u_n = 2 + \dfrac{\sin(n)}{n}$
  2. $v_n = n + \cos(n)$
  3. $w_n = \dfrac{3 + (-1)^n}{n^2}$
▶ Solution — Exercice 5
  1. $-1 \leqslant \sin(n) \leqslant 1$, donc $2 - \dfrac{1}{n} \leqslant u_n \leqslant 2 + \dfrac{1}{n}$. Les deux suites encadrantes tendent vers $2$ : par le théorème des gendarmes, $u_n \to 2$.
  2. $\cos(n) \geqslant -1$, donc $v_n \geqslant n - 1$. Or $n - 1 \to +\infty$ : par comparaison, $v_n \to +\infty$.
  3. $-1 \leqslant (-1)^n \leqslant 1$, donc $2 \leqslant 3 + (-1)^n \leqslant 4$ et $\dfrac{2}{n^2} \leqslant w_n \leqslant \dfrac{4}{n^2}$. Les deux bornes tendent vers $0$ : $w_n \to 0$.
Suites monotones et convergence (Tle)
Majorée, minorée :
$(u_n)$ est majorée par $M$ si $u_n \leqslant M$ pour tout $n$ ; minorée par $m$ si $u_n \geqslant m$ pour tout $n$.
Théorème de convergence monotone :
une suite croissante et majorée converge ; une suite décroissante et minorée converge. (Le théorème donne l'existence de la limite, pas sa valeur.)
Croissante non majorée :
une suite croissante qui n'est pas majorée tend vers $+\infty$.
Limite d'une suite récurrente :
si $u_{n+1} = f(u_n)$ avec $f$ continue et si $u_n \to \ell$, alors $\ell$ vérifie $f(\ell) = \ell$. On trouve la limite en résolvant cette équation.
Méthode : étudier une suite $u_{n+1} = f(u_n)$
  1. Montrer par récurrence un encadrement de $u_n$ (souvent $a \leqslant u_n \leqslant b$).
  2. Montrer que la suite est monotone (signe de $u_{n+1} - u_n$, en utilisant l'encadrement).
  3. Conclure à la convergence par le théorème de convergence monotone.
  4. Déterminer la limite en résolvant $f(\ell) = \ell$ et en retenant la solution compatible avec l'encadrement.
Exercice 6 — Problème en contexte : une suite récurrente (Tle)

On reprend la suite $(u_n)$ définie par $u_0 = 1$ et $u_{n+1} = \sqrt{u_n + 6}$. On a montré à l'exercice 2 que $0 \leqslant u_n \leqslant 3$ pour tout $n$.

  1. Calculer $u_1$ et $u_2$ (arrondir au millième). Que conjecture-t-on sur le sens de variation ?
  2. Montrer que $u_{n+1} - u_n \geqslant 0$ équivaut à $(u_n - 3)(u_n + 2) \leqslant 0$. En déduire que $(u_n)$ est croissante.
  3. Justifier que $(u_n)$ converge.
  4. Déterminer sa limite $\ell$.
▶ Solution — Exercice 6
  1. $u_1 = \sqrt{7} \approx 2{,}646$ et $u_2 = \sqrt{\sqrt{7} + 6} \approx \sqrt{8{,}646} \approx 2{,}941$. La suite semble croissante et se rapprocher de $3$.
  2. Comme $u_n \geqslant 0$ et $\sqrt{u_n + 6} \geqslant 0$, on a $\sqrt{u_n + 6} \geqslant u_n \iff u_n + 6 \geqslant u_n^2 \iff u_n^2 - u_n - 6 \leqslant 0$ (on élève au carré deux nombres positifs, ce qui conserve l'ordre). Le trinôme $x^2 - x - 6$ a pour racines $3$ et $-2$, donc $u_n^2 - u_n - 6 = (u_n - 3)(u_n + 2)$. Or $0 \leqslant u_n \leqslant 3$ donne $u_n - 3 \leqslant 0$ et $u_n + 2 > 0$ : le produit est négatif ou nul. Donc $u_{n+1} \geqslant u_n$ pour tout $n$ : la suite est croissante.
  3. $(u_n)$ est croissante et majorée par $3$ : d'après le théorème de convergence monotone, elle converge vers un réel $\ell$, avec $0 \leqslant \ell \leqslant 3$.
  4. La fonction $f(x) = \sqrt{x + 6}$ est continue sur $[0 \,;\, 3]$, donc $\ell$ vérifie $\ell = \sqrt{\ell + 6}$, soit $\ell^2 - \ell - 6 = 0$, d'où $\ell = 3$ ou $\ell = -2$. Comme $\ell \geqslant 0$, $\ell = 3$ : $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 3$.
Exercice 7 — Problème en contexte : atteindre un seuil (Tle)

Un patient prend $200$ mg d'un médicament ; chaque heure, l'organisme élimine $25\,\%$ de la quantité présente. On note $m_n$ la quantité, en mg, après $n$ heures : $m_n = 200 \times 0{,}75^n$.

  1. Justifier que $(m_n)$ est décroissante et donner sa limite.
  2. Le médicament est considéré comme éliminé lorsque $m_n < 1$ mg. Compléter le tableau ci-dessous (arrondir au centième) et déterminer le premier rang $n$ pour lequel $m_n < 1$.

    $n$$16$$17$$18$$19$
    $m_n$…………
  3. Décrire un algorithme (en français ou en Python) qui calcule ce rang à partir de $m_0 = 200$.
▶ Solution — Exercice 7
  1. $m_{n+1} = 0{,}75\,m_n < m_n$ car $m_n > 0$ : la suite est décroissante. Comme $0 < 0{,}75 < 1$, $0{,}75^n \to 0$ et $m_n \to 0$.
  2. $m_{16} = 200 \times 0{,}75^{16} \approx 2{,}00$ ; $m_{17} \approx 1{,}50$ ; $m_{18} \approx 1{,}13$ ; $m_{19} \approx 0{,}85$. Le premier rang pour lequel $m_n < 1$ est $n = 19$ : le médicament est éliminé au bout de $19$ heures.
  3. On part de $n = 0$ et $m = 200$. Tant que $m \geqslant 1$ : on remplace $m$ par $0{,}75\,m$ et on ajoute $1$ à $n$. À la sortie de la boucle, $n$ est le rang cherché. En Python : n = 0 ; m = 200 ; while m >= 1: m = 0.75 * m ; n = n + 1 ; puis afficher n, qui vaut $19$.
Erreurs classiques à éviter
ErreurExemple fauxCorrection
Oublier l'initialisation« l'hérédité est vraie, donc c'est démontré »vérifier $P(n_0)$ : sans premier domino, rien ne tombe
Supposer $P(n)$ « pour tout $n$ » dans l'hérédité« supposons $P(n)$ vraie pour tout $n$ »« soit $n$ fixé, supposons $P(n)$ vraie » : on suppose un seul rang
Conclure sur une forme indéterminée$n^2 - n \to 0$ car « $\infty - \infty = 0$ »factoriser : $n^2(1 - \frac{1}{n}) \to +\infty$
Croire que croissante suffit« $(u_n)$ croissante donc $u_n \to +\infty$ »croissante et non majorée ; si elle est majorée, elle converge
Oublier le cas $q \leqslant -1$$(-2)^n \to +\infty$$(-2)^n$ n'a pas de limite (signe alterné)
Exercice 8 — QCM (Tle)

Pour chaque question, une seule réponse est correcte.

  1. La limite de la suite $u_n = 0{,}3^n$ est :

    • A. $+\infty$
    • B. $0{,}3$
    • C. $0$
    • D. elle n'existe pas
  2. La limite de la suite $v_n = \dfrac{2n^2 + 1}{n^2 - 3}$ est :

    • A. $2$
    • B. $+\infty$
    • C. $0$
    • D. $-\dfrac{1}{3}$
  3. Dans une démonstration par récurrence, l'hérédité consiste à :

    • A. vérifier que $P(0)$ est vraie
    • B. supposer $P(n)$ vraie pour tout entier $n$
    • C. calculer $u_{n+1}$ à partir de $u_n$
    • D. montrer que, pour un $n$ fixé, $P(n)$ vraie entraîne $P(n+1)$ vraie
  4. Une suite croissante et majorée par $5$ :

    • A. tend vers $5$
    • B. converge vers un réel $\ell \leqslant 5$
    • C. tend vers $+\infty$
    • D. n'a pas de limite
▶ Solution — Exercice 8
  1. Réponse C. $-1 < 0{,}3 < 1$, donc $0{,}3^n \to 0$.

    • A : c'est le cas $q > 1$.
    • B : la limite n'est pas la raison ; $0{,}3^n$ vaut $0{,}3$ seulement pour $n = 1$.
    • D : la suite est géométrique de raison positive inférieure à $1$, elle converge.
  2. Réponse A. $v_n = \dfrac{n^2\left(2 + \frac{1}{n^2}\right)}{n^2\left(1 - \frac{3}{n^2}\right)} \to \dfrac{2}{1} = 2$.

    • B : forme « $\frac{\infty}{\infty}$ » conclue trop vite ; les termes dominants se compensent.
    • C : confusion avec le cas où le dénominateur l'emporte.
    • D : quotient des termes constants, sans signification pour la limite.
  3. Réponse D. L'hérédité est une implication : de $P(n)$ (pour un rang fixé) on déduit $P(n+1)$.

    • A : c'est l'initialisation.
    • B : supposer $P(n)$ pour tout $n$ revient à supposer ce qu'on veut démontrer.
    • C : calculer $u_{n+1}$ n'est qu'un outil éventuel, pas le principe.
  4. Réponse B. Théorème de convergence monotone : elle converge, et sa limite est inférieure ou égale au majorant.

    • A : le majorant n'est pas forcément la limite ($u_n = 1 - \frac{1}{n}$ est majorée par $5$ et converge vers $1$).
    • C : impossible, elle est majorée.
    • D : une suite croissante majorée a toujours une limite.
Exercice 9 — Vrai ou faux ?

Pour chaque affirmation, dire si elle est vraie ou fausse et justifier :

  1. Si $u_n \to 0$, alors $u_n = 0$ à partir d'un certain rang.
  2. Toute suite croissante tend vers $+\infty$.
  3. Pour tout réel $q$ tel que $-1 < q < 1$, $\lim\limits_{n \to +\infty} q^n = 0$.
  4. Si $0 \leqslant u_n \leqslant v_n$ pour tout $n$ et $v_n \to 0$, alors $u_n \to 0$.
  5. L'hérédité seule suffit à prouver qu'une propriété est vraie pour tout $n$.
  6. La suite $u_n = (-1)^n$ n'a pas de limite.
  7. Si $u_n \to +\infty$ et $v_n \to -\infty$, alors $u_n + v_n \to 0$.
  8. Si $u_{n+1} = f(u_n)$ avec $f$ continue et $u_n \to \ell$, alors $f(\ell) = \ell$.
▶ Solution — Exercice 9
  1. Faux. $u_n = \dfrac{1}{n}$ tend vers $0$ sans jamais valoir $0$. Converger vers $\ell$, c'est s'en rapprocher autant qu'on veut, pas l'atteindre.
  2. Faux. $u_n = 1 - \dfrac{1}{n}$ est croissante et converge vers $1$. Une suite croissante tend vers $+\infty$ seulement si elle n'est pas majorée.
  3. Vrai. C'est la limite de référence des suites géométriques de raison strictement comprise entre $-1$ et $1$.
  4. Vrai. C'est le théorème des gendarmes avec $0 \leqslant u_n \leqslant v_n$ : les deux bornes tendent vers $0$.
  5. Faux. Contre-exemple : $P(n)$ : « $2^n$ est un multiple de $3$ ». Si $2^n = 3k$, alors $2^{n+1} = 3 \times 2k$ : l'hérédité est vraie. Pourtant $P(0)$ est fausse ($1$ n'est pas multiple de $3$), et $P(n)$ est fausse pour tout $n$. Sans initialisation, rien n'est prouvé.
  6. Vrai. Elle vaut alternativement $1$ et $-1$ : elle ne se rapproche d'aucun réel et ne tend pas vers l'infini.
  7. Faux. « $+\infty - \infty$ » est une forme indéterminée. Avec $u_n = n^2$ et $v_n = -n$, $u_n + v_n = n^2 - n \to +\infty$.
  8. Vrai. En passant à la limite dans $u_{n+1} = f(u_n)$, la continuité de $f$ donne $\ell = f(\ell)$ : la limite est un point fixe de $f$.

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Tu veux retenir durablement ces méthodes ? Consulte la fiche Mémorisation et sciences cognitives.
Tu fais souvent les mêmes erreurs ? Remplis ton Carnet d'erreurs.