Suites numériques (1 re partie)
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- Laure Pagé
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1 Chapitre 1 Suites numériques (1 re partie) I Prérequis I.1 Définition d une suite Définition. Une suite numérique est une liste de nombres réels «numérotés» par les nombres entiers naturels. N R On peut lui associer une fonction u définie sur N par n u(n) Pour tout entier naturel n, u(n), notéu n, est le terme de rang n de la suite. On note (u n ) n N, ou plus simplement (u n ), la suite qui est constituée de l ensemble de ces termes. Remarque : On peut définir une suite de deux manières différentes : explicitement, en exprimant u n en fonction de n. Par exemple, u n =n +1; à l aide d une relation récurrence liant deux (ou plus) termes consécutifs de la suite. Par exemple : v 0 = 5 et pour tout n N, v n+1 = v n +4. Exemple : Déterminer à la main les premiers termes des suites définies ci-dessous. (a) la suite (u n ) est définie par : n N, u n =n +1 Pour n =0,onau 0 = 0 +1=1 Pour n =1,onau 1 = 1 +1=3 Pour n =,onau = +1=9 Pour n =3,onau 3 = 3 +1=19 (b) la suite (v n ) est définie par v0 = 5 n N, v n+1 = v n +4
2 1 Chapitre 1 : Suites numériques (1 re partie) Pour n =0,onav 1 = v 0 +4= 5+4= 1 Pour n =1,onav = v 1 +4= 1+4=3 Pour n =,onav 3 = v +4=3+4=7 Pour n =3,onav 4 = v 3 +4=7+4=11 (c) la suite (w n ) est définie par w0 = n N, w n+1 = w n + n Pour n =0,onaw 1 = w 0 +0=+0= Pour n =1,onaw = w 1 +1=+1=3 Pour n =,onaw 3 = w +=3+=5 Pour n =3,onaw 4 = w 3 +3=5+3=8 I. Utilisation de la calculatrice 1. Si la suite est définie de manière explicite, Sur CASIO, (a) Aller dans le menu RECUR. (b) Aller dans TYPE ( F 3 ) puis sélectionner F 1 (pour avoir a n en fonction de n). (c) Le menu SET permet de choisir les rangs de début et de fin. Sur TI, (a) Appuyer sur MODE et choisir l option SUITE (ou SEQ). (b) Appuyer sur f(x). (c) Définir la suite dans la ligne u(n). (d) nmin correspond au rang auquel commence la suite.
3 I Prérequis 13. Si la suite est définie par une relation de récurrence, Sur CASIO, (a) Aller dans le menu RECUR. (b) Aller dans TYPE ( F 3 ) puis sélectionner F (pour avoir a n+1 en fonction de a n ). (c) Le menu SET permet de régler la valeur de a 0 (ou a 1 ). Sur TI, (a) Après avoir sélectionné le mode SEQ, appuyer sur f(x). (b) Il faut définir u n en fonction de u n 1. (c) u(n 1) est obtenu grâce aux touches nde puis 7. (d) Il faut définir nmin (rang de départ) et u(nmin) (terme initial). Exemple : Vérifier, à l aide de la calculatrice, les premiers termes des suites définies dans l exemple précédent (I.1). I.3 Sens de variations Définitions. Soit (u n ) une suite définie sur N. On dit que (u n ) est croissante lorsque, pour tout entier n N, u n u n+1. On dit que (u n ) est décroissante lorsque, pour tout entier n N, u n u n+1. On dit que (u n ) est monotone lorsqu elle est croissante ou décroissante. On dit que (u n ) est constante lorsque, pour tout entier n N, u n = u n+1.
4 14 Chapitre 1 : Suites numériques (1 re partie) Dans la pratique, comment montrer qu une suite est croissante (ou décroissante)? Les trois propriétés ci-dessous correspondent à trois méthodes différentes. Propriété. (Signe de la différence) Si pour tout entier naturel n, u n+1 u n 0, alors la suite (u n ) est croissante. Si pour tout entier naturel n, u n+1 u n 0, alors la suite (u n ) est décroissante. Exemple : Soit (u n ) la suite définie par Montrer que la suite (u n ) est croissante. u0 = 5 n N, u n+1 = u n + n n +1 Pour tout n N, u n+1 u n = n n +1=(n 1) 0. Ainsi, n N, u n+1 u n.lasuite(u n ) est donc croissante. Propriété. (Comparer le quotient à 1) Soit (u n ) une suite à termes strictement positifs. Si n N, u n+1 u n Si n N, u n+1 u n 1, alors la suite (u n ) est croissante. 1, alors la suite (u n ) est décroissante. Exemple : Soit (v n ) la suite définie par n N, v n =(n +1) 3 n. Étudier les variations de la suite (v n ). Remarquons que, pour tout n N, v n > 0. Pour tout n N, v n+1 v n = (n +) 3n+1 (n +1) 3 n = n + n Pour tout n N, n+ n+1,donc n + n +1 1 (car n+1 > 0). Ainsi, v n v n Ainsi, n N, v n+1 v n.lasuite(v n ) est donc croissante. Remarque : On peut énoncer la propriété analogue (hors programme) lorsque la suite (u n ) à termes strictement négatifs. Si n N, u n+1 1, alors la suite (u n ) est décroissante. u n Si n N, u n+1 u n 1, alors la suite (u n ) est croissante. Propriété. (Pour les suites définies de manière explicite) Soit f la fonction telle que, pour tout entier naturel n, u n = f(n). Si f est croissante sur [0; + [, alors la suite (u n ) est croissante. Si f est décroissante sur [0; + [, alors la suite (u n ) est décroissante.
5 I Prérequis 15 Exemple : Soit (w n ) la suite définie par n N, w n = n +4n. Étudier les variations de la suite (w n ). On considère la fonction f définie par f(x) =x +4x. On a alors u n = f(n). On peut calculer la dérivée de f et on obtient : f (x) =x +4. x + Signe de f (x) 0 + Variations de f En particulier, la fonction f est croissante sur [0; + [, ce qui implique que la suite (u n ) est croissante. I.4 Suites arithmétiques Définition. Une suite est arithmétique lorsqu on passe d un terme au suivant en ajoutant toujours le même nombre, appelé raison de la suite, noté r. Autrement dit, (u n ) est une suite arithmétique de raison r si : pour tout n N, u n+1 = u n + r Propriété. Soit (u n ) une suite arithmétique de premier terme u 0 et de raison r. Alors, pour tout entier naturel n, onau n = u 0 + nr. Propriété. On considère une suite arithmétique (u n ) de raison r. Soit S la somme de termes consécutifs de la suite. S = nombre de termes de S 1er terme de S + dernier terme de S Exemple : Calculer S = On considère la suite arithmétique (u n ) de raison r =et de premier terme u 0 =1. On constate que S = u 0 + u 1 + u + + u 50. En effet, on a bien 101 = Cette expression est donc la somme de 51 termes consécutifs d une suite arithmétique. On a donc S = = 601.
6 16 Chapitre 1 : Suites numériques (1 re partie) Remarque : De manière générale, on peut écrire la relation entre deux termes quelconques d une suite arithmétique de raison r. I.5 Suites géométriques p N, n N, u p = u n + r(p n) Définition. Une suite est géométrique lorsqu on passe d un terme au suivant en multipliant toujours par le même nombre, appelé raison de la suite, noté q. Autrement dit, (u n ) est une suite géométrique de raison q si : pour tout n N, u n+1 = q u n Propriété. Soit (u n ) une suite géométrique de premier terme u 0 et de raison q. Alors, pour tout entier naturel n, onau n = u 0 q n. Propriété. On considère une suite géométrique (u n ) de raison q 1et de premier terme u 0. Soit S la somme de termes consécutifs de cette suite. de termes de S 1 qnombre S = premier terme de S 1 q Exemple : Exprimer S n = n en fonction de n. On considère la suite géométrique (u n ) de raison q =et de premier terme u 0 =1. On constate que S = u 0 + u 1 + u + + u n. Cette expression est donc la somme de (n +1) termes consécutifs d une suite géométrique. Ainsi, S =1 1 n+1 = n Remarque : De manière générale, on peut écrire la relation entre deux termes quelconques d une suite géométrique de raison q. p N, n N, u p = u n + q p n Exemple : On considère la suite géométrique (u n ) de raison q telle que u 5 =4 et u 7 =36. Déterminer les valeurs possibles de la raison q. On applique la relation de la remarque précédente avec p =7et n =5.Onobtient alors u 7 = u 5 7 5,soit36 = 4 q.ainsi,q vérifie l équation q =9. On en déduit que q peut prendre deux valeurs possibles : 3 et 3.
7 II La démonstration par récurrence 17 II La démonstration par récurrence II.1 Le principe de récurrence Supposons que nous avons placé les dominos comme sur l image. Comment les faire tous tomber? Comme le premier domino ne tombe pas, aucun domino ne tombera. Ici les dominos ne tomberont pas tous puisque pour une certaine valeur de n, l enchaînement P n = P n+1 ne se fera pas! Donc pour démontrer par récurrence qu une proposition P n est vraie pour tout entier naturel n, il faudra procéder en deux étapes et conclure. (a) Première étape (initialisation) : On vérifie que P 0 (c est-à-dire la propriété pour n =0) est vraie. Le premier domino P 0 tombe bien. (b) Deuxième étape (hérédité) : On vérifie le caractère héréditaire (P n = P n+1 ) de la proposition. On suppose que pour un entier naturel n quelconque P n estvraie,eten tenant compte de cette hypothèse (appelée hypothèse de récurrence), on démontre que P n+1 est également vraie. Le domino P n «entraîne» bien le domino P n+1. (c) Conclusion : On conclut que P n est vraie pour tout entier naturel n. Le premier domino tombe, et par hérédité, entraîne la chute du e, qui entraîne la chute du 3 e, etc. Tous les dominos tombent!
8 18 Chapitre 1 : Suites numériques (1 re partie) II. Exemples Exemple 1 : Soit (u n ) la suite définie par ß u0 =7 n N, u n+1 =u n 3. Démontrer par récurrence que pour tout n N, u n = n+ +3. On appelle P n la propriété «u n = n+ +3». Initialisation : Vérifions la propriété pour n =0: Nous savons que u 0 =7et 0+ +3=4+3=7. Ainsi, la propriété P 0 est vraie. Hérédité : Supposons que la propriété P n est vraie, c est-à-dire que u n = n+ +3. Montrons que la propriété P n+1 est vraie, c est-à-dire que u n+1 = n u n+1 = u n 3 = ( n+ +3) 3 en utilisant l hypothèse de récurrence = n = n = n+3 +3 Donc P n+1 est vraie. Conclusion : Ainsi, n N, u n = n+ +3. Exemple : On définit : n N, S n = n. Démontrer que, pour tout n N n(n +1),ona:S n =. On appelle P n la propriété «S n = n(n +1) Initialisation : Vérifions la propriété pour n =1: 1(1 + 1) Nous savons que S 1 =1et =1. Ainsi, la propriété P 1 est vraie. Hérédité : n(n +1) Supposons que la propriété P n est vraie, c est-à-dire que S n =. Montrons que la propriété P n+1 est vraie, c est-à-dire que S n+1 = (n +1)(n +1+1),soitS n+1 =». (n +1)(n +).
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