Suites numériques

I.Généralités sur les suites (Rappel)

Remarque

À retenir

Soit $n_0$ un entier naturel. On pose $I = \{n \in \mathbb{N} / n \ge n_0\}$ et on considère la suite numérique $(u_n)_{n \ge n_0}$.

1.Suite majorée – Suite minorée – Suite bornée

Définition

Définition 1

  • On dit que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est majorée s'il existe un réel $M$ tel que : $(\forall n \in I)\; u_n \le M$
  • On dit que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est minorée s'il existe un réel $m$ tel que : $(\forall n \in I)\; u_n \ge m$
  • On dit que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est bornée si elle est à la fois majorée et minorée.

2.Monotonie d’une suite numérique

Définition

Définition 2

  • On dit que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est croissante si : $(\forall n \in I)\; u_{n+1} – u_n \ge 0$
  • On dit que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est décroissante si : $(\forall n \in I)\; u_{n+1} – u_n \le 0$
  • On dit que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est constante si : $(\forall n \in I)\; u_{n+1} = u_n$
Remarque

Remarque

  • Si la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est croissante alors : $(\forall n \in I)\; u_n \ge u_{n_0}$
  • Si la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est décroissante alors : $(\forall n \in I)\; u_n \le u_{n_0}$

3.Suite arithmétique

Définition

Définition 3

On dit que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est arithmétique s'il existe un réel $r$ (indépendant de $n$) tel que :
\[(\forall n \in I) u_{n+1} – u_n = r\]
Le nombre $r$ est appelé la raison de la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$.
Propriété

Propriété 1

Si la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est une suite arithmétique de raison $r$ alors pour tout $(n, p) \in I^2$ :
\[u_n = u_p + (n – p)r \text{et} u_p + u_{p+1} + \ldots + u_n = \dfrac{n – p + 1}{2}(u_p + u_n)\]

4.Suite géométrique

Définition

Définition 4

On dit que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est géométrique s'il existe un réel $q$ (indépendant de $n$) tel que :
\[(\forall n \in I) u_{n+1} = q u_n\]
Le nombre $q$ est appelé la raison de la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$.
Propriété

Propriété 2

Si la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est une suite géométrique de raison $q \in \mathbb{R}^* – \{1\}$ alors pour tout $(n, p) \in I^2$ :
\[u_n = u_p \cdot q^{n – p} \text{et} u_p + u_{p+1} + \ldots + u_n = u_p \cdot \dfrac{1 – q^{n – p + 1}}{1 – q} (n \ge p)\]

II.Limite d’une suite numérique

1.Suite de limite infinie

Définition

Définition 5

  • On dit que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ a pour limite $+\infty$ si tout intervalle de type $]A, +\infty[$, où $A > 0$, contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang ; ce qui revient à dire que :
    \[(\forall A > 0)\; (\exists N \in \mathbb{N})\; (\forall n \ge N) u_n \in ]A, +\infty[\]
    On dit alors que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ diverge vers $+\infty$ et on notera :
    \[\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty \text{ou} \lim u_n = +\infty\]
  • On dit que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ a pour limite $-\infty$ si tout intervalle de type $]-\infty, -A[$ contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang ; ce qui revient à dire que :
    \[(\forall A > 0)\; (\exists N \in \mathbb{N})\; (\forall n \ge N) u_n \in ]-\infty, -A[\]
    On dit alors que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ diverge vers $-\infty$ et on notera :
    \[\lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty \text{ou} \lim u_n = -\infty\]
Remarque

Remarques

  • Si $k \in \mathbb{R}^*_+$, alors on a l'implication : $\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty \implies \lim_{n \to +\infty} k u_n = +\infty$
  • On a les équivalences suivantes :
    \[\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty \iff \lim_{n \to +\infty} (-u_n) = -\infty ; \lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty \iff \lim_{n \to +\infty} (-u_n) = +\infty\]
Exemple

Exemples

1) On considère la suite numérique $(u_n)$ définie par :
\[u_n = n^2\]
Montrons que : $\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty$ Soit $A > 0$. On a alors :
\[u_n \in ]A, +\infty[ \iff u_n > A \iff n^2 > A \iff n > \sqrt{A}\]
Posons $N = E(\sqrt{A}) + 1$, d'où $N > \sqrt{A}$ et $N \in \mathbb{N}$. On a donc :
\[n \ge N \implies n > \sqrt{A} \implies n^2 > A \implies u_n \in ]A, +\infty[\]
Par suite : $\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty$ 2) Soit $(v_n)$ la suite définie par : $v_n = 3 – 2n$ Montrons que : $\lim_{n \to +\infty} v_n = -\infty$ Soit $A > 0$. On a alors :
\[v_n \in ]-\infty, -A[ \iff 3 – 2n \dfrac{A + 3}{2}\]
Posons $N = E\left(\dfrac{A + 3}{2}\right) + 1$, d'où $N > \dfrac{A + 3}{2}$ et $N \in \mathbb{N}$. On a donc :
\[n \ge N \implies n > \dfrac{A + 3}{2} \implies v_n < -A \implies v_n \in ]-\infty, -A[\]
Par suite : $\lim_{n \to +\infty} v_n = -\infty$

2.Limite infinie des suites usuelles

Proposition

Proposition 1

Les suites $(\sqrt{n})$, $(n)$, $(n^2)$ et $(n^3)_n$ tendent vers $+\infty$ quand $n$ tend vers $+\infty$.
Proposition

Proposition 2

Soit $(u_n)_{n \ge n_0}$ et $(v_n)_{n \ge n_0}$ deux suites numériques telles que pour tout $n \ge n_0$ : $u_n \le v_n$
  • Si $\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty$ alors $\lim_{n \to +\infty} v_n = +\infty$.
  • Si $\lim_{n \to +\infty} v_n = -\infty$ alors $\lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty$.
Exemple

Exemples

1) Soit $(u_n)$ la suite numérique définie par :
\[u_n = \sqrt[3]{n^6 + 1 + \sin n}\]
On a pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $n^6 + 1 + \sin n \ge n^6$ Donc : $u_n \ge n^2$ Puisque $\lim_{n \to +\infty} n^2 = +\infty$ alors $\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty$ 2) Soit $(v_n)$ la suite numérique définie par :
\[v_n = E(\sqrt{n}) + 1\]
On a pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $\sqrt{n} – 1 \le E(\sqrt{n})$ Donc : $\sqrt{n} \le v_n$ Puisque $\lim_{n \to +\infty} \sqrt{n} = +\infty$ alors $\lim_{n \to +\infty} v_n = +\infty$ 3) Soit $(w_n)$ la suite numérique définie par :
\[w_n = \text{Arctan}(\cos n) – n\]
On a pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $\text{Arctan}(\cos n) \le \dfrac{\pi}{2}$ Donc : $w_n \le \dfrac{\pi}{2} – n$ Puisque $\lim_{n \to +\infty} \left(\dfrac{\pi}{2} – n\right) = -\infty$ alors $\lim_{n \to +\infty} w_n = -\infty$
Proposition

Proposition 3

Soit $a$ un réel quelconque.
  • Si $a > 1$ alors $\lim_{n \to +\infty} a^n = +\infty$.
  • Si $p \in \mathbb{N}^*$ alors $\lim_{n \to +\infty} n^p = +\infty$.
Preuve

Preuve

  • Soit $a > 1$. On pose $\alpha = a – 1$, c'est-à-dire $a = \alpha + 1$ et $\alpha > 0$. D'après l'inégalité de Bernoulli à savoir : « $(\forall (x, n) \in \mathbb{R}^+ \times \mathbb{N})\; (1+x)^n \ge 1 + nx$ », on a pour tout $n \in \mathbb{N}^*$, $a^n \ge 1 + n\alpha$ et donc $a^n > n\alpha$. Puisque $\lim_{n \to +\infty} n\alpha = +\infty$ alors $\lim_{n \to +\infty} a^n = +\infty$.
  • On a pour tout $n \in \mathbb{N}$ et $p \in \mathbb{N}^*$, $n \le n^p$. Puisque $\lim_{n \to +\infty} n = +\infty$ alors $\lim_{n \to +\infty} n^p = +\infty$.
Exemple

Exemples

1) On a $\lim_{n \to +\infty} 3^n = +\infty$ car $3 > 1$. De même, $\lim_{n \to +\infty} \left(\dfrac{7}{4}\right)^n = +\infty$ car $\dfrac{7}{4} > 1$. 2) On a $\lim_{n \to +\infty} n^5 = +\infty$ car $5 \in \mathbb{N}^*$.
Application

Applications

Déterminer les limites suivantes :
\[1)\; \lim_{n \to +\infty} \left(\dfrac{2017}{2016}\right)^n ; 2)\; \lim_{n \to +\infty} \left(\dfrac{1 + \sqrt{2}}{\sqrt{3}}\right)^n ; 3)\; \lim_{n \to +\infty} n^{2017} ; 4)\; \lim_{n \to +\infty} \left(n^3 + 2^n\right) ; 5)\; \lim_{n \to +\infty} \dfrac{5^n + 2^n}{3^n}\]

3.Convergence d’une suite numérique

Définition

Définition 6

Étant donné une suite numérique $(u_n)_{n \ge n_0}$ et $\ell \in \mathbb{R}$, on dit que $(u_n)_{n \ge n_0}$ tend vers $\ell$, ou encore converge vers $\ell$, si tout intervalle ouvert centré en $\ell$ contient tous les termes de la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ à partir d'un certain rang. En d'autres termes :
\[(\forall \varepsilon > 0)\; (\exists N \in \mathbb{N})\ ;; \; (\forall n \ge N) |u_n – \ell| < \varepsilon\]
Et on écrit : $\lim_{n \to +\infty} u_n = \ell \text{ou} \lim u_n = \ell$
Définition

Définition 7

On dit qu'une suite numérique est convergente si elle admet une limite réelle. Dans le cas contraire, on dit qu'elle est divergente.
Remarque

Remarque

  • Dire qu'une suite diverge (ou qu'elle est divergente), ne signifie pas qu'elle tend vers l'infini. Cela signifie exactement que la suite n'a pas de limite ou qu'elle tend vers l'infini.
Exemple

Exemple

Soit $(u_n)$ la suite numérique définie par : $u_n = \dfrac{3n – 1}{n + 1}$. Montrons que : $\lim_{n \to +\infty} u_n = 3$ Soit $\varepsilon > 0$. On a pour tout $n \in \mathbb{N}$ :
\[\left|u_n – 3\right| = \left|\dfrac{3n – 1}{n + 1} – 3\right| = \dfrac{4}{n + 1}\]
Pour avoir $|u_n – 3| < \varepsilon$, il suffit d'avoir $\dfrac{4}{n + 1} < \varepsilon$, c'est-à-dire que $\dfrac{4}{\varepsilon} < n + 1$, et donc $\dfrac{4}{\varepsilon} – 1 \left|\dfrac{4}{\varepsilon} – 1\right|$, et donc $n > \dfrac{4}{\varepsilon} – 1$. On a montré donc que : $(\forall \varepsilon > 0)\; (\exists N \in \mathbb{N})\; (\forall n \in \mathbb{N})\; (n \ge N \implies |u_n – 3| < \varepsilon)$. Par suite : $\lim_{n \to +\infty} u_n = 3$
Application

Applications

1) Soit $(u_n)_{n \ge 1}$ la suite numérique définie par : $u_n = \dfrac{1}{n^2}$. Montrer en utilisant la définition que $\lim_{n \to +\infty} u_n = 0$. 2) On considère les deux suites $(v_n)$ et $(w_n)$ définies par : $v_n = \dfrac{7n – 2}{3n + 4}$ et $w_n = \dfrac{2n^2 – \sin n}{n^2 + 3}$ Montrer en utilisation la définition que : $\lim_{n \to +\infty} v_n = \dfrac{7}{3}$ et $\lim_{n \to +\infty} w_n = 2$

4.Convergence des suites usuelles

Proposition

Proposition 4

Les suites $\left(\dfrac{1}{\sqrt{n}}\right)_{n \ge 1}$, $\left(\dfrac{1}{n}\right)_{n \ge 1}$ et $\left(\dfrac{1}{n^2}\right)_{n \ge 1}$ tendent vers $0$ quand $n$ tend vers $+\infty$.

5.Unicité de la limite

Proposition

Proposition 5

La limite d'une suite numérique, lorsqu'elle existe, est unique.
Preuve

Preuve

Raisonnons par l'absurde et supposons qu'une suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ possède deux limites distinctes $\ell_1$ et $\ell_2$. En posant $\varepsilon = \dfrac{|\ell_1 – \ell_2|}{3} > 0$, on obtient par la définition de la limite :
\[[(\exists N_1 \in \mathbb{N}) \;; \; (\forall n \in \mathbb{N})\; (n \ge N_1 \implies |u_n – \ell_1| < \varepsilon)] \text{et} [(\exists N_2 \in \mathbb{N}) \;; \; (\forall n \in \mathbb{N})\; (n \ge N_2 \implies |u_n – \ell_2| < \varepsilon)]\]
Soit $N = \sup(N_1, N_2)$. On a d'après l'inégalité triangulaire, pour tout $n \ge N$ :
\[|\ell_1 – \ell_2| \le |u_n – \ell_1| + |u_n – \ell_2| \le 2\varepsilon\]
On obtient alors $|\ell_1 – \ell_2| \le \dfrac{2}{3}|\ell_1 – \ell_2|$, ce qui est absurde. D'où le résultat.
Proposition

Proposition 6

Toute suite convergente est bornée. La réciproque est fausse.
Preuve

Preuve

  • Soit $(u_n)_{n \ge n_0}$ une suite convergeant vers un réel $\ell$. La définition de la convergence appliquée par exemple pour $\varepsilon = 1$, nous permet de fixer un rang $N$ tel que :
    \[\begin{aligned} (\forall n \in \mathbb{N}) n \ge N &\implies |u_n – \ell| < 1 \\ &\implies \ell – 1 < u_n < \ell + 1 \end{aligned}\]
    On constate alors que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est majorée par le réel $M = \max\{u_{n_0}, \ldots, u_{N-1}, \ell + 1\}$ et minorée par le réel $m = \min\{u_{n_0}, \ldots, u_{N-1}, \ell – 1\}$. Il s'ensuit donc la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est bornée.
  • La réciproque est fausse : par exemple la suite de terme général $(-1)^n$ est bornée mais non convergente.

6.Opérations sur les limites

Proposition

Proposition 7

Soit $(u_n)_{n \ge n_0}$ et $(v_n)_{n \ge n_0}$ deux suites numériques convergentes. Alors :
  • La suite $(u_n + v_n)_{n \ge n_0}$ est convergente et de plus : $\lim_{n \to +\infty} (u_n + v_n) = \lim_{n \to +\infty}(u_n) + \lim_{n \to +\infty}(v_n)$.
  • La suite $(u_n v_n)_{n \ge n_0}$ est convergente et de plus : $\lim_{n \to +\infty} (u_n v_n) = \lim_{n \to +\infty}(u_n) \times \lim_{n \to +\infty}(v_n)$.
  • Si $\lim_{n \to +\infty}(v_n) \ne 0$, alors la suite $\left(\dfrac{u_n}{v_n}\right)_{n \ge n_0}$ est convergente et de plus : $\lim_{n \to +\infty} \left(\dfrac{u_n}{v_n}\right) = \dfrac{\lim_{n \to +\infty}(u_n)}{\lim_{n \to +\infty}(v_n)}$.
Preuve

Preuve

Supposons que $(u_n)_{n \ge n_0}$ et $(v_n)_{n \ge n_0}$ sont convergentes et posons $\lim_{n \to +\infty} u_n = \ell$ et $\lim_{n \to +\infty} v_n = \ell'$ où $(\ell, \ell') \in \mathbb{R}^2$.
  • Montrons que la suite $(u_n + v_n)_{n \ge n_0}$ est convergente vers $\ell + \ell'$ : Soit $\varepsilon > 0$. Puisque $\lim_{n \to +\infty} u_n = \ell$ et $\lim_{n \to +\infty} v_n = \ell'$ alors :
    \[\left[(\exists N_1 \in \mathbb{N})\ ;; \; (\forall n \in \mathbb{N})\left(n \ge N_1 \implies |u_n – \ell| < \dfrac{\varepsilon}{2}\right)\right] \text{et} \left[(\exists N_2 \in \mathbb{N})\ ;; \; (\forall n \in \mathbb{N})\left(n \ge N_2 \implies |v_n – \ell'| < \dfrac{\varepsilon}{2}\right)\right]\]
    En choisissant $N = \sup(N_1, N_2)$ on obtient : $n \ge N \implies |(u_n + v_n) – (\ell + \ell')| \le |u_n – \ell| + |v_n – \ell'| < \varepsilon$
Preuve

Preuve (Suite)

Par conséquent, la suite $(u_n + v_n)_{n \ge n_0}$ converge vers $\ell + \ell'$.
  • Montrons que la suite $(u_n v_n)_{n \ge n_0}$ est convergente vers $\ell \ell'$ : Comme la suite $(v_n)_{n \ge n_0}$ est convergente alors elle est bornée. Donc, il existe $M \in \mathbb{R}^*_+$ tel que pour tout $n \in \mathbb{N}$, $|v_n| \le M$. Soit maintenant $\varepsilon > 0$. Puisque $\lim u_n = \ell$ et $\lim v_n = \ell'$ alors :
    \[(\exists N_1 \in \mathbb{N})\ ;; \; (\forall n \in \mathbb{N})\left(n \ge N_1 \implies |u_n – \ell| < \dfrac{\varepsilon}{2M}\right)\]
    \[(\exists N_2 \in \mathbb{N})\ ;; \; (\forall n \in \mathbb{N})\left(n \ge N_2 \implies |v_n – \ell'| < \dfrac{\varepsilon}{2(|\ell| + 1)}\right)\]
    En choisissant $N = \sup(N_1, N_2)$, on obtient : $n \ge N \implies |u_n v_n – \ell \ell'| \le |(u_n – \ell)v_n + \ell(v_n – \ell')|$ Par conséquent : $n \ge N \implies |u_n v_n – \ell \ell'| \le |v_n||u_n – \ell| + |\ell||v_n – \ell'|$ C'est-à-dire : $n \ge N \implies |u_n v_n – \ell \ell'| \le M|u_n – \ell| + (|\ell| + 1)|v_n – \ell'|$ Par suite : $n \ge N \implies |u_n v_n – \ell \ell'| < \dfrac{\varepsilon}{2} + \dfrac{\varepsilon}{2} \implies |u_n v_n – \ell \ell'| 0$ alors : $(\exists N_1 \in \mathbb{N})\ ;; \; (\forall n \in \mathbb{N})\left(n \ge N_1 \implies |v_n – \ell'| < \dfrac{|\ell'|}{2}\right)$ Puisque $|v_n| – |\ell'| \le |v_n – \ell'|$ alors : $(\exists N_1 \in \mathbb{N})\ ;; \; \left(n \ge N_1 \implies ||v_n| – |\ell'|| \dfrac{|\ell'|}{2}$ Soit maintenant $\varepsilon > 0$. Puisque $\lim v_n = \ell'$ alors : $(\exists N_2 \in \mathbb{N})\ ;; \; (\forall n \in \mathbb{N})\left(n \ge N_2 \implies |v_n – \ell'| < \dfrac{\varepsilon |\ell'|^2}{2}\right)$ En choisissant $N = \sup(N_1, N_2)$, on obtient : $n \ge N \implies \left|\dfrac{1}{v_n} – \dfrac{1}{\ell'}\right| = \dfrac{|v_n – \ell'|}{|v_n||\ell'|} < \dfrac{\varepsilon |\ell'|^2}{\dfrac{|\ell'|^2}{2}}$ C'est-à-dire : $n \ge N \implies \left|\dfrac{1}{v_n} – \dfrac{1}{\ell'}\right| < \varepsilon$. Par conséquent : $\lim \dfrac{1}{v_n} = \dfrac{1}{\ell'}$ Enfin : $\lim \dfrac{u_n}{v_n} = \lim u_n \times \dfrac{1}{v_n} = \dfrac{\ell}{\ell'}$, ce qui achève la démonstration.
Exemple

Exemples

1) Soit $(u_n)_{n \ge 1}$ la suite définie pour tout $n \in \mathbb{N}^*$ par : $u_n = 3 – \dfrac{1}{n} + \dfrac{4}{\sqrt{n}}$ On a : $\lim_{n \to +\infty} u_n = 3 – \lim_{n \to +\infty} \dfrac{1}{n} + \lim_{n \to +\infty} \dfrac{4}{\sqrt{n}} = 3 \left(\text{car } \lim_{n \to +\infty} \dfrac{1}{n} = \lim_{n \to +\infty} \dfrac{4}{\sqrt{n}} = 0\right)$ 2) Soit $(v_n)$ la suite définie par : $v_n = \dfrac{2\sqrt{n} + 7}{3n – 2}$
\[\text{On a : } \lim_{n \to +\infty} v_n = \lim_{n \to +\infty} \dfrac{\sqrt{n}\left(2 + \dfrac{7}{\sqrt{n}}\right)}{n\left(3 – \dfrac{2}{n}\right)} = \lim_{n \to +\infty} \dfrac{1}{\sqrt{n}} \times \dfrac{2 + \dfrac{7}{\sqrt{n}}}{3 – \dfrac{2}{n}}\]
Puisque $\lim_{n \to +\infty} \dfrac{1}{\sqrt{n}} = \lim_{n \to +\infty} \dfrac{2}{n} = \lim_{n \to +\infty} \dfrac{7}{\sqrt{n}} = 0$, alors $\lim_{n \to +\infty} v_n = 0$.
Application

Applications

Calculer la limite de chacune des suites suivantes définies par :
\[u_n = \dfrac{2\sqrt{n} – 7}{7\sqrt{n} + 3} ; v_n = \dfrac{n^2 – 3n + 4}{n^2 + 5n + 7} ; w_n = \dfrac{2n – 3}{n^3 + 3n^2 + 1} ; x_n = \dfrac{(n + 4)(-3n^2 + 1)}{5n^3 + 8n}\]

2.7. EXTENSION DES OPÉRATIONS SUR LA LIMITE DE SUITE

Remarque

À retenir

On admet que les résultats sur les limites des fonctions restent valables pour les limites des suites :
  • [>] Limite d'une somme :
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|} \hline $\lim u_n$ & $\ell$ & $\ell$ & $\ell$ & $+\infty$ & $-\infty$ & $+\infty$
\hline $\lim v_n$ & $\ell'$ & $+\infty$ & $-\infty$ & $+\infty$ & $-\infty$ & $-\infty$
\hline $\lim (u_n + v_n)$ & $\ell + \ell'$ & $+\infty$ & $-\infty$ & $+\infty$ & $-\infty$ & \begin{tabular}{c} Forme
indéterminée \end{tabular}
\hline \end{tabular}
  • [>] Limite d'un produit :
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline $\lim u_n$ & $\ell$ & $+\infty$ & $+\infty$ & $-\infty$ & $-\infty$ & $+\infty$ & $+\infty \text{ ou } -\infty$
\hline $\lim v_n$ & $\ell'$ & $\ell' > 0$ & $\ell' }] Limite d'une inverse : \begin{tabular}{|c|c|c|c|} \hline $\lim u_n$ & $\ell \ne 0$ & $+\infty \text{ ou } -\infty$ & $0$
\hline $\lim \dfrac{1}{u_n}$ & $\dfrac{1}{\ell}$ & $0$ & $\lim \left|\dfrac{1}{u_n}\right| = +\infty$
\hline \end{tabular}

2.8. LIMITES ET ORDRE

Proposition

Proposition 8

Soit $(u_n)_{n \ge n_0}$ et $(v_n)_{n \ge n_0}$ deux suites numériques convergentes. Alors :
  • Si la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est positive alors $\lim u_n \ge 0$.
  • Si $u_n \le v_n$ pour tout entier $n \ge n_0$ alors $\lim u_n \le \lim v_n$.
Preuve

Preuve

Supposons que les suites $(u_n)_{n \ge n_0}$ et $(v_n)_{n \ge n_0}$ convergent et posons $\lim u_n = \ell$ et $\lim v_n = \ell'$ où $(\ell, \ell') \in \mathbb{R}^2$.
  • Si la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ est positive alors on a $u_n = |u_n|$ pour tout $n \ge n_0$. Comme $(|u_n|)_{n \ge n_0}$ converge vers $|\ell|$ (cela revient en fait de l'inégalité $||u_n| – |\ell|| \le |u_n – \ell|$ et de la définition de convergence d'une suite), et par unicité de la limite, on en déduit que $|\ell| = \ell$, c'est-à-dire que $\ell \ge 0$.
  • Si $u_n \le v_n$ pour tout $n \ge n_0$, alors en posant $w_n = v_n – u_n$, la suite $(w_n)_{n \ge n_0}$ est positive et convergente. Comme $\lim w_n \ge 0$ et $\lim w_n = \lim v_n – \lim u_n$, alors $\lim u_n \le \lim v_n$.
Remarque

Remarque

  • Si $(u_n)_{n \ge n_0}$ est une suite convergente dont on souhaite montrer que sa limite est strictement positive, alors il suffit de chercher un réel $m > 0$ tel que $u_n \ge m$ à partir d'un certain rang.

2.9. MONOTONIE ET CONVERGENCE

Théorème

Théorème 1

  • Toute suite croissante majorée est convergente.
  • Toute suite décroissante minorée est convergente.
Ce résultat porte le nom de « Théorème de la convergence monotone »
Remarque

Remarque

  • Le théorème ci-dessus assure la convergence de la suite mais ne détermine pas sa limite.
Exemple

Exemple

On considère la suite $(u_n)$ définie par $u_0 = 0$ et pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $u_{n+1} = \sqrt{2 + u_n}$ Montrons par récurrence que pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $0 \le u_n \le 2$
  • Initialisation : Pour $n = 0$, on a $u_0 = 0$ ; donc $0 \le u_0 \le 2$.
  • Hérédité : Soit $n \in \mathbb{N}$. Supposons que $0 \le u_n \le 2$ et montrons que $0 \le u_{n+1} \le 2$. On a : $0 \le u_n \le 2 \implies 2 \le 2 + u_n \le 4 \implies \sqrt{2} \le \sqrt{2 + u_n} \le 2 \implies 0 \le u_{n+1} \le 2$
  • Conclusion : Pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $0 \le u_n \le 2$
Étudions maintenant la monotonie de la suite $(u_n)$ : On a pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $u_{n+1} – u_n = \sqrt{2 + u_n} – u_n = \dfrac{2 + u_n – u_n^2}{\sqrt{2 + u_n} + u_n} = \dfrac{(u_n + 1)(2 – u_n)}{\sqrt{2 + u_n} + u_n}$ Comme $0 \le u_n \le 2$ alors $\dfrac{(u_n + 1)(2 – u_n)}{\sqrt{2 + u_n} + u_n} \ge 0$ pour tout $n \in \mathbb{N}$, donc $u_{n+1} – u_n \ge 0$. Ainsi, la suite $(u_n)$ est croissante majorée par 2, donc elle est convergente.
Application

Applications

1. Montrer que la suite $(u_n)$ définie par $u_0 = 3$ et pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $u_{n+1} = 3 – \dfrac{9}{4u_n}$ est décroissante et minorée par $\dfrac{3}{2}$. Que peut-on en déduire quant à la convergence de la suite $(u_n)$ ? 2. Soit $(v_n)_{n \ge 1}$ la suite numérique définie par : $v_n = 1 + \dfrac{1}{1!} + \dfrac{1}{2!} + \ldots + \dfrac{1}{n!}$
  1. [a)] Montrer que pour tout entier $k \ge 2$, $k! \ge 2^{k-1}$. En déduire que la suite $(v_n)_{n \ge 1}$ est majorée.
  2. [b)] Montrer que la suite $(v_n)_{n \ge 1}$ est croissante puis en déduire qu'elle est convergente.
Proposition

Proposition 9

  • Toute suite croissante non majorée tend vers $+\infty$.
  • Toute suite décroissante non minorée tend vers $-\infty$.
Preuve

Preuve

  • Soit $(u_n)_{n \ge n_0}$ une suite croissante. Si elle est non majorée alors : $(\forall A > 0)\; (\exists N \in \mathbb{N})\ ;; \; u_N > A$. Comme $(u_n)_{n \ge n_0}$ est croissante alors pour tout entier $n \ge N$, $u_n \ge u_N > A$. Par conséquent : $(\exists N \in \mathbb{N})\ ;; \; (\forall n \in \mathbb{N}) u_n > A$ Par définition de la limite d'une suite tendant vers $+\infty$, on en déduit que $\lim u_n = +\infty$.
  • Si $(u_n)_{n \ge n_0}$ est une suite décroissante non minorée alors $(-u_n)_{n \ge n_0}$ est une suite croissante non majorée. Comme $\lim (-u_n) = +\infty$ alors $\lim u_n = -\infty$. Ce qui achève la démonstration.

3.CRITÈRES DE CONVERGENCE

3.1. EXISTENCE DE LA LIMITE PAR ENCADREMENT

Théorème

Théorème 2

Soit $(v_n)_{n \ge n_0}$ et $(w_n)_{n \ge n_0}$ deux suites numériques convergeant vers une limite commune $\ell$. Si $(u_n)_{n \ge n_0}$ est une suite vérifiant l'encadrement $v_n \le u_n \le w_n$ à partir d'un certain rang, alors la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ converge et sa limite vaut $\ell$. Ce résultat est appelé « Théorème des gendarmes »
Preuve

Preuve

Soit $(u_n)_{n \ge n_0}$, $(v_n)_{n \ge n_0}$ et $(w_n)_{n \ge n_0}$ trois suites numériques. Supposons que $(v_n)_{n \ge n_0}$ et $(w_n)_{n \ge n_0}$ convergent vers une même limite $\ell$ et qu'à partir d'un certain rang $N_1$, $v_n \le u_n \le w_n$. Soit $\varepsilon > 0$. D'après la définition de la convergence d'une suite :
\[\left[(\exists N_2 \in \mathbb{N})\ ;; \; (n \ge N_2 \implies |v_n – \ell| < \varepsilon)\right] \text{et} \left[(\exists N_3 \in \mathbb{N})\ ;; \; (n \ge N_3 \implies |w_n – \ell| < \varepsilon)\right]\]
Par conséquent, à partir du rang $\max(N_2, N_3)$ : $\ell – \varepsilon < v_n < \ell + \varepsilon$ et $\ell – \varepsilon < w_n < \ell + \varepsilon$ Comme $v_n \le u_n \le w_n$, à partir du rang $N_1$, alors à partir du rang $N = \max(N_1, N_2, N_3)$ : $$\ell – \varepsilon < v_n \le u_n \le w_n 0)\; (\exists N \in \mathbb{N})\ ;; \; (\forall n \in \mathbb{N})\; (n \ge N \implies |u_n – \ell| < \varepsilon)$ Ce qui revient à dire que la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ converge et sa limite vaut $\ell$.
Exemple

Exemple

Montrons que la suite $(u_n)$ définie sur $\mathbb{N}^*$ par $u_n = \sum_{k=1}^n \dfrac{n}{\sqrt{n^4 + k}}$ converge, et déterminons sa limite : Soit $n \in \mathbb{N}^*$. On a pour tout $k \in \{1, 2, \ldots, n\}$ :
\[\dfrac{n}{\sqrt{n^4 + n}} \le \dfrac{n}{\sqrt{n^4 + k}} \le \dfrac{n}{\sqrt{n^4 + 1}}\]
En sommant ces $n$ encadrements, on obtient :
\[\sum_{k=1}^n \dfrac{n}{\sqrt{n^4 + n}} \le \sum_{k=1}^n \dfrac{n}{\sqrt{n^4 + k}} \le \sum_{k=1}^n \dfrac{n}{\sqrt{n^4 + 1}}\]
ce qui donne : $\dfrac{n^2}{\sqrt{n^4 + n}} \le u_n \le \dfrac{n^2}{\sqrt{n^4 + 1}}$ Puisque $\lim_{n \to +\infty} \dfrac{n^2}{\sqrt{n^4 + n}} = \lim_{n \to +\infty} \dfrac{1}{\sqrt{1 + \dfrac{1}{n^3}}} = 1$ et $\lim_{n \to +\infty} \dfrac{n^2}{\sqrt{n^4 + 1}} = \lim_{n \to +\infty} \dfrac{1}{\sqrt{1 + \dfrac{1}{n^4}}} = 1$ alors la suite $(u_n)$ est convergente, et de plus : $\lim_{n \to +\infty} u_n = 1$
Application

Applications

1. Soit $(u_n)$ la suite numérique définie par : $u_n = \dfrac{\sqrt{n}\sin(n)}{n+1}$ Déterminer la limite de la suite $(u_n)$. 2. Calculer les limites des suites $(v_n)_{n \ge 1}$ et $(w_n)_{n \ge 1}$ définies par : $v_n = \sum_{k=1}^{2n+1} \dfrac{1}{n^2 + k}$ et $w_n = \sum_{k=1}^{3n+1} \dfrac{1}{\sqrt[3]{n^3 + k}}$
Remarque

Corollaire

Soit $(u_n)_{n \ge n_0}$ une suite numérique et $\ell$ un nombre réel. S'il existe une suite $(v_n)_{n \ge n_0}$ tendant vers $0$ telle que pour tout $n \ge n_0$, $|u_n – \ell| \le v_n$, alors la suite $(u_n)_{n \ge n_0}$ converge et sa limite vaut $\ell$.
Proposition

Proposition 10

Soit $r$ un nombre rationnel non nul.
  • Si $r > 0$ alors $\lim_{n \to +\infty} n^r = +\infty$.
  • Si $r < 0$ alors $\lim_{n \to +\infty} n^r = 0$.
Exemple

Exemples

\[\lim_{n \to +\infty} n^{\frac{5}{6}} = +\infty ; \lim_{n \to +\infty} n^{\frac{2}{7}} = +\infty ; \lim_{n \to +\infty} n^{-\frac{2}{3}} = 0 ; \lim_{n \to +\infty} n^{-\frac{20}{17}} = 0\]

3.2. LIMITE D’UNE SUITE GÉOMÉTRIQUE

Proposition

Proposition 11

Soit $q$ un nombre réel non nul.
  • Si $q > 1$ alors $\lim q^n = +\infty$.
  • Si $-1 < q < 1$ alors $\lim q^n = 0$.
  • Si $q = 1$ alors $\lim q^n = 1$.
  • Si $q \le -1$ alors la suite $(q^n)_{n \in \mathbb{N}}$ n'admet pas de limite.
Exemple

Exemples

1) On a $\lim_{n \to +\infty} \left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)^n = 0$ car $-1 < \dfrac{\sqrt{3}}{2} < 1$. De même : $\lim_{n \to +\infty} \left(-\dfrac{1}{4}\right)^n = 0$ car $-1 < -\dfrac{1}{4} 1$. Par contre, la suite $\left(\left(-\dfrac{3}{2}\right)^n\right)_{n \in \mathbb{N}}$ n'a pas de limite quand $n$ tend vers $+\infty$.

4.SUITES DE LA FORME $u_{n+1} = f(u_n)$ ET $v_n = f(u_n)$

4.1. SUITE DE LA FORME $u_{n+1} = f(u_n)$

Proposition

Proposition 12

Soit $f$ une fonction continue sur un intervalle $I$ telle que $f(I) \subset I$. Soit $(u_n)_{n \ge n_0}$ une suite réelle définie par $u_{n_0} \in I$ et $(\forall n \ge n_0)\; u_{n+1} = f(u_n)$. Si $(u_n)_{n \ge n_0}$ est convergente de limite $\ell$ et $\ell \in I$, alors $\ell$ est solution dans $I$ de l'équation $f(x) = x$.
Preuve

Preuve

$(u_n)_{n \ge n_0}$ est convergente : $\lim_{n \to +\infty} u_n = \ell$. Soit $\varepsilon$ un nombre strictement positif. Puisque $f$ est continue en $\ell$ alors : $(\exists \alpha > 0)\ ;; \; (\forall x \in I)\left(|x – \ell| < \alpha \implies |f(x) – f(\ell)| < \varepsilon\right)$ Et comme $\lim_{n \to +\infty} u_n = \ell$ alors : $(\exists n_0 \in \mathbb{N})\ ;; \; (\forall n \ge n_0)\left(|u_n – \ell| < \alpha\right)$ Il est aisément facile de montrer par récurrence que pour tout entier $n \ge n_0$, $u_n \in I$. On a : $(\exists n_0 \in \mathbb{N})\ ;; \; (\forall n \ge n_0)\left(|f(u_n) – f(\ell)| 0$. Par suite, $\lim_{n \to +\infty} f(u_n) = f(\ell)$. Et puisque $\lim_{n \to +\infty} u_{n+1} = \ell$ alors $f(\ell) = \ell$. D'où le résultat.
Exemple

Exemple

Soit $(u_n)$ la suite numérique définie par : $u_0 = 1$ et $u_{n+1} = \sqrt{\dfrac{1 + u_n}{2}} (\forall n \in \mathbb{N})$ Étudions la convergence de la suite $(u_n)$. On considère la fonction numérique $f$ définie sur $I = [0; 1]$ par : $f(x) = \sqrt{\dfrac{1 + x}{2}}$
  • La fonction $f$ est continue et croissante sur $I$, donc : $f(I) = [f(0); f(1)] = \left[\dfrac{\sqrt{2}}{2}; 1\right]$. Par conséquent, $f(I) \subset I$.
  • Montrons que pour tout $n \in \mathbb{N}$, $0 \le u_n \le 1$ : Initialisation : Pour $n = 0$, on a $u_0 = 1$ donc $0 \le u_0 \le 1$. Hérédité : Soit $n \in \mathbb{N}$. Supposons que $0 \le u_n \le 1$ et montrons que $0 \le u_{n+1} \le 1$ On a $0 \le u_n \le 1$, c'est-à-dire $u_n \in I$, donc $f(u_n) \in f(I)$. Et comme $f(I) \subset I$ alors $u_{n+1} \in I$, d'où $0 \le u_{n+1} \le 1$. Conclusion : Pour tout $n \in \mathbb{N}$, $0 \le u_n \le 1$
Exemple

Exemple (Suite)

  • Étudions la monotonie de la suite $(u_n)$ : On a pour tout $n \in \mathbb{N}$ :
    \[u_{n+1} – u_n = \sqrt{\dfrac{1 + u_n}{2}} – u_n = \dfrac{\dfrac{1 + u_n}{2} – u_n^2}{\sqrt{\dfrac{1 + u_n}{2}} + u_n} = \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{1 + u_n – 2u_n^2}{\sqrt{\dfrac{1 + u_n}{2}} + u_n} = \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{(2u_n + 1)(1 – u_n)}{\sqrt{\dfrac{1 + u_n}{2}} + u_n}\]
    Puisque $0 \le u_n \le 1$ alors $-\dfrac{(2u_n + 1)(1 – u_n)}{2\left(\sqrt{\dfrac{1 + u_n}{2}} + u_n\right)} \le 0$, et donc $u_{n+1} – u_n \le 0$. La suite $(u_n)$ est décroissante.
  • Puisque la suite $(u_n)$ est décroissante minorée par 0 alors elle est convergente. Soit $\ell$ sa limite. D'après la proposition 12, la limite $\ell$ vérifie : $f(\ell) = \ell$ et $0 \le \ell \le 1$ On a : $f(\ell) = \ell \iff \sqrt{\dfrac{1 + \ell}{2}} = \ell \iff 2\ell^2 – \ell – 1 = 0 \iff \left(\ell = 1 \text{ ou } \ell = -\dfrac{1}{2}\right)$ Et comme $0 \le \ell \le 1$ alors $\ell = 1$. Ainsi, la suite $(u_n)$ converge vers 1.
Application

Application

Étudier la convergence de la suite $(u_n)$ définie par : $u_0 = \dfrac{1}{2}$ et $u_{n+1} = \dfrac{5}{2} u_n (1 – u_n) (\forall n \in \mathbb{N})$

4.2. LIMITE D’UNE SUITE DE LA FORME $V_n = f(U_n)$

Proposition

Proposition 13

Si une suite $(u_n)$ est convergente vers $\ell$ et $f$ est une fonction continue en $\ell$ alors la suite $(v_n)$ définie par $v_n = f(u_n)$ est convergente et sa limite est $f(\ell)$.
Exemple

Exemple

Soit $(v_n)$ la suite numérique définie par : $v_n = \tan\left(\dfrac{\pi n + 1}{3n + 2}\right)$ On pose pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $u_n = \dfrac{\pi n + 1}{3n + 2}$. On a donc $v_n = f(u_n)$ avec $f(x) = \tan x$. On a : $\lim_{n \to +\infty} u_n = \lim_{n \to +\infty} \dfrac{\pi n + 1}{3n + 2} = \lim_{n \to +\infty} \dfrac{\pi + \dfrac{1}{n}}{3 + \dfrac{2}{n}} = \dfrac{\pi}{3}$. Puisque la fonction $f$ est continue en $\dfrac{\pi}{3}$ alors :
\[\lim_{n \to +\infty} f(u_n) = f\left(\dfrac{\pi}{3}\right) = \tan\dfrac{\pi}{3} = \sqrt{3}\]
En résumé : $\lim_{n \to +\infty} v_n = \sqrt{3}$.
Application

Applications

Déterminer les limites des suites définies par :
\[u_n = \sqrt{\dfrac{24n^4 – n + 1}{3n^4 – n^2 – 7}} ; v_n = \sqrt[4]{\dfrac{16n^3 – 3n + 1}{2n^2 + 1}} ; w_n = \cos\left(\dfrac{n\pi – 2}{n^2 + 1}\right) ; t_n = \sin\left(\dfrac{\pi}{n + 1}\right)\]

5.SUITES ADJACENTES

Définition

Définition 8

On dit que deux suites numériques $(u_n)$ et $(v_n)$ sont adjacentes si une est croissante, l'autre est décroissante et $\lim_{n \to +\infty} (v_n – u_n) = 0$.
Exemple

Exemple

Soit $(u_n)_{n \ge 1}$ et $(v_n)_{n \ge 1}$ les suites numériques définies sur $\mathbb{N}^*$ par : $u_n = \dfrac{-2}{n}$ et $v_n = \dfrac{1}{n}$. On a $(u_n)_{n \ge 1}$ est croissante, $(v_n)_{n \ge 1}$ est décroissante et de plus : $\lim_{n \to +\infty} (v_n – u_n) = \lim_{n \to +\infty} \dfrac{3}{n} = 0$. Par conséquent, les suites $(u_n)_{n \ge 1}$ et $(v_n)_{n \ge 1}$ sont adjacentes.
Application

Applications

On considère les suites numériques $(u_n)$ et $(v_n)$ définies par : $u_n = \sum_{k=0}^n \dfrac{1}{k!}$ et $v_n = u_n + \dfrac{1}{n!}$. Montrer que les suites $(u_n)$ et $(v_n)$ sont adjacentes.
Proposition

Proposition 14

Si $(u_n)$ et $(v_n)$ sont deux suites adjacentes alors elles sont convergentes et ont la même limite.
Preuve

Preuve

Soit $(u_n)$ et $(v_n)$ sont deux suites adjacentes. Supposons que $(u_n)$ est croissante et $(v_n)$ décroissante. Comme $(u_n)$ est croissante et $(v_n)$ décroissante, la suite $(u_n – v_n)$ est croissante. Comme de plus elle tend vers 0, elle est à valeurs négatives, ce qui donne : $\forall n \in \mathbb{N},\; u_n \le v_n$. On en déduit que la suite $(u_n)$ est majorée par $v_0$ puisque : $\forall n \in \mathbb{N},\; u_n \le v_n \le v_0$. Comme elle est croissante alors elle converge. De même, la suite $(v_n)$ étant décroissante et minorée par $u_0$, elle converge. Enfin, l'écriture $v_n = u_n + (v_n – u_n)$ permet de prouver que $(v_n)$ converge et nous donne :
\[\lim_{n \to +\infty} v_n = \lim_{n \to +\infty} u_n + \lim_{n \to +\infty} (v_n – u_n) = \lim_{n \to +\infty} u_n \left(\text{car } \lim_{n \to +\infty} (v_n – u_n) = 0\right)\]
Ainsi, les suites $(u_n)$ et $(v_n)$ sont convergentes et ont la même limite.
Exemple

Exemple

Soit $(u_n)_{n \ge 1}$ et $(v_n)_{n \ge 1}$ les suites numériques définies sur $\mathbb{N}^*$ par :
\[u_n = 1 + \dfrac{1}{\sqrt{2}} + \ldots + \dfrac{1}{\sqrt{n}} – 2\sqrt{n + 1} \text{et} v_n = 1 + \dfrac{1}{\sqrt{2}} + \ldots + \dfrac{1}{\sqrt{n}} – 2\sqrt{n}\]
On montre facilement que la suite $(u_n)_{n \ge 1}$ est croissante et $(v_n)_{n \ge 1}$ est décroissante. On a de plus :
\[\lim_{n \to +\infty} (v_n – u_n) = \lim_{n \to +\infty} 2(\sqrt{n+1} – \sqrt{n}) = \lim_{n \to +\infty} \dfrac{2}{\sqrt{n+1} + \sqrt{n}} = 0\]
Il s'ensuit donc que les suites $(u_n)_{n \ge 1}$ et $(v_n)_{n \ge 1}$ sont adjacentes, donc elles sont toutes les deux convergentes et ont la même limite.
Application

Applications

Soit $a$ et $b$ deux réels strictement positifs tels que $a < b$. On considère les suites $(u_n)$ et $(v_n)$ définies par :
\[\begin{cases} u_0 = a \\ u_{n+1} = \dfrac{2u_n v_n}{u_n + v_n} \end{cases}, \; \forall n \in \mathbb{N} \text{et} \begin{cases} v_0 = b \\ v_{n+1} = \dfrac{u_n + v_n}{2} \end{cases}, \; \forall n \in \mathbb{N}\]
1. Montrer par récurrence que pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $u_n \le v_n$ 2. Montrer que la suite $(u_n)$ est croissante et que $(v_n)$ est décroissante. 3. Montrer que pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $v_{n+1} – u_{n+1} \le \dfrac{1}{2}(v_n – u_n)$ 4. En déduire que les suites $(u_n)$ et $(v_n)$ sont adjacentes. 5. Montrer que la suite $(u_n v_n)$ est constante, et en déduire la limite commune des suites $(u_n)$ et $(v_n)$.
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