Suites numériques

Rappels de cours (Suites arithmétiques \& géométriques)

Suites arithmétiques

Définition
Une suite $(u_n)_{n \in \mathbb{N}}$ est arithmétique s'il existe un réel $r$, appelé raison de la suite, tel que : \[ \forall n \in \mathbb{N}, u_{n+1} = u_n + r \]
Propriété
Si $(u_n)$ est une suite arithmétique de raison $r$ et de premier terme $u_0$, alors :
  • Terme général : $\forall n \in \mathbb{N}, u_n = u_0 + nr$ (ou $u_n = u_p + (n-p)r$).
  • Somme des termes : $\sum_{k=p}^{n} u_k = u_p + u_{p+1} + \dots + u_n = \frac{(n – p + 1)(u_p + u_n)}{2}$.

Suites géométriques

Définition
Une suite $(v_n)_{n \in \mathbb{N}}$ est géométrique s'il existe un réel $q$, appelé raison de la suite, tel que : \[ \forall n \in \mathbb{N}, v_{n+1} = q \cdot v_n \]
Propriété
Si $(v_n)$ est une suite géométrique de raison $q$ et de premier terme $v_0$, alors :
  • Terme général : $\forall n \in \mathbb{N}, v_n = v_0 \cdot q^n$ (ou $v_n = v_p \cdot q^{n-p}$).
  • Somme des termes ($q \neq 1$) : $\sum_{k=p}^{n} v_k = v_p + v_{p+1} + \dots + v_n = v_p \cdot \frac{1 – q^{n-p+1}}{1 – q}$.

Limites des suites usuelles et critères de convergence

Limites de référence

Propriété
  • $\lim_{n \to +\infty} n^2 = +\infty$, $\lim_{n \to +\infty} n^3 = +\infty$, $\lim_{n \to +\infty} \sqrt{n} = +\infty$.
  • $\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} = 0$, $\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n^2} = 0$, $\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{\sqrt{n}} = 0$.

Limite de la suite géométrique $(q^n)$

Théorème
Soit $q$ un nombre réel. La limite de la suite $(q^n)$ est déterminée par :
  • Si $q > 1$ : $\lim_{n \to +\infty} q^n = +\infty$.
  • Si $-1 < q < 1$ : $\lim_{n \to +\infty} q^n = 0$ (la suite converge).
  • Si $q = 1$ : $\lim_{n \to +\infty} q^n = 1$.
  • Si $q \le -1$ : La suite $(q^n)$ n'admet pas de limite.

Théorèmes de comparaison et d’encadrement

Théorème d’encadrement (Théorème des gendarmes)

Théorème
Soient $(u_n)$, $(v_n)$ et $(w_n)$ trois suites numériques. Si à partir d'un certain rang, on a : \[ v_n \le u_n \le w_n \] et si $\lim_{n \to +\infty} v_n = \lim_{n \to +\infty} w_n = l$ ($l \in \mathbb{R}$), alors la suite $(u_n)$ converge et : \[ \lim_{n \to +\infty} u_n = l \]

Théorèmes de comparaison pour l’infini

Théorème
  • Si $u_n \ge v_n$ à partir d'un certain rang et $\lim_{n \to +\infty} v_n = +\infty$, alors $\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty$.
  • Si $u_n \le w_n$ à partir d'un certain rang et $\lim_{n \to +\infty} w_n = -\infty$, alors $\lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty$.
Exemple
Soit la suite définie par $u_n = -n^3 – \sqrt{n+1}$. On sait que pour tout $n \in \mathbb{N}$, $u_n \le -n^3$. Comme $\lim_{n \to +\infty} -n^3 = -\infty$, on en déduit par comparaison algébrique directe que : \[ \lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty \]

Suites de type $u_{n+1} = f(u_n)$

Théorème
Soit $(u_n)$ une suite numérique définie par sa relation récurrente $u_{n+1} = f(u_n)$ et son premier terme $u_0$. Si les conditions suivantes sont réunies :
  1. $f$ est une fonction continue sur un intervalle $I$,
  2. $f(I) \subset I$,
  3. $u_0 \in I$,
  4. La suite $(u_n)$ est convergente vers une limite $l$,
Alors la limite $l$ est nécessairement solution de l'équation : \[ f(x) = x \]

Exercice d’application et de synthèse

Exercice
Soit $(u_n)_{n \in \mathbb{N}}$ la suite numérique définie sur l'intervalle $I = [-3; 1]$ par : \[ \begin{cases} u_0 = -3
u_{n+1} = \frac{u_n – 8}{2u_n – 9} (\forall n \in \mathbb{N}) \end{cases} \] On introduit la fonction $f$ associée définie sur $I$ par $f(x) = \frac{x – 8}{2x – 9}$. On pose également une suite auxiliaire $v_n = u_n – 6$ (ou un aménagement géométrique associé).