Suites Numériques · Cours 2BAC PC

Ce cours de suites numériques 2ème Bac (PC et SVT) explique pas à pas les suites arithmétiques et géométriques, la convergence monotone, l’encadrement, les limites de suites et les suites récurrentes, avec des exemples résolus et des exercices corrigés. Retrouve d’autres cours dans 2Bac PC-SVT.

Cours de suites numériques 2ème Bac

DéfinitionÀ connaître par cœur.
Théorème / PropriétéÀ retenir et à citer.
ExempleRésolu étape par étape.
AstucePour mieux comprendre.
AttentionErreur fréquente.

1Le raisonnement par récurrence

L’idée : l’effet domino Si le premier domino tombe, et si chaque domino qui tombe fait tomber le suivant, alors tous les dominos tombent. C’est exactement le principe de la récurrence.
Principe Pour démontrer qu’une propriété P(n) est vraie pour tout entier n ≥ n₀ :
  1. Initialisation : on vérifie que P(n₀) est vraie.
  2. Hérédité : on suppose que P(n) est vraie pour un entier n ≥ n₀ (c’est l’hypothèse de récurrence) et on démontre que P(n + 1) est vraie.
  3. Conclusion : P(n) est vraie pour tout n ≥ n₀.
Exemple 1 · Une formule Montrer que pour tout n ≥ 1 : 1 + 2 + … + n = n(n + 1)2.
  1. Initialisation : pour n = 1, le membre de gauche vaut 1 et celui de droite 1 × 22 = 1. C’est vrai.
  2. Hérédité : on suppose 1 + 2 + … + n = n(n + 1)2. Alors
    1 + 2 + … + n + (n + 1) = n(n + 1)2 + (n + 1) = (n + 1)(n + 2)2
    c’est la formule au rang n + 1.
  3. Conclusion : la formule est vraie pour tout n ≥ 1.
Exemple 2 · Un encadrement (très utile pour les suites) Soit u₀ = 2 et un+1 = √(6 + un). Montrer que 0 ≤ un ≤ 3 pour tout n.
  1. Initialisation : u₀ = 2 et 0 ≤ 2 ≤ 3.
  2. Hérédité : supposons 0 ≤ un ≤ 3. Alors 6 ≤ 6 + un ≤ 9. La racine carrée étant croissante : √6 ≤ un+1 ≤ 3, donc 0 ≤ un+1 ≤ 3.
  3. Conclusion : pour tout n, 0 ≤ un ≤ 3.
Attention Il faut faire les deux étapes. Sans initialisation, l’hérédité ne sert à rien (on peut « démontrer » des choses fausses). Dans l’hérédité, on utilise l’hypothèse de récurrence.

2Généralités sur les suites

Une suite numérique (un) associe à chaque entier n (à partir d’un rang n₀) un réel un : le « terme de rang n ».

2.1 Suites majorées, minorées, bornées

Définitions
  • (un) est majorée s’il existe un réel M tel que un ≤ M pour tout n.
  • (un) est minorée s’il existe un réel m tel que un ≥ m pour tout n.
  • (un) est bornée si elle est majorée et minorée. Cela revient à : il existe A > 0 tel que |un| ≤ A pour tout n.

2.2 Monotonie

Définitions
  • Croissante : un+1 ≥ un pour tout n (strictement croissante si >).
  • Décroissante : un+1 ≤ un pour tout n (strictement décroissante si <).
  • Constante : un+1 = un pour tout n.
  • Périodique de période T ∈ ℕ* : un+T = un pour tout n.
Comment étudier la monotonie ?
  • Méthode 1 : calculer un+1 − un et étudier son signe (c’est la plus courante).
  • Méthode 2 : si tous les termes sont positifs, comparer un+1un à 1.
  • Méthode 3 : si un = f(n) avec f croissante (resp. décroissante), alors (un) est croissante (resp. décroissante).
  • Méthode 4 : par récurrence (pour un+1 = f(un), voir partie 12).
Exemples
  • un = 1n³ + 7 (n ≥ 1) : un+1 − un = 1(n + 1)³ − 1n³ < 0 car (n + 1)³ > n³ > 0. La suite est strictement décroissante. De plus un > 7 : elle est minorée par 7.
  • un = 3n : un > 0 et un+1un = 3 > 1, donc strictement croissante.
  • un = n² + 1 = f(n) avec f(x) = x² + 1 croissante sur [0, +∞[ : (un) est strictement croissante.

3Suites arithmétiques

L’idée À chaque étape, on ajoute toujours le même nombre r. Exemple : 5 ; 8 ; 11 ; 14 ; … (on ajoute 3).
Définition (un) est arithmétique de raison r si, pour tout n : un+1 = un + r.
Propriétés
  • Terme général : un = up + (n − p) r. En particulier un = u₀ + n r.
  • Moyenne arithmétique : trois termes consécutifs a, b, c vérifient a + c = 2b.
  • Somme : pour S = up + up+1 + … + un :
    S = (nombre de termes) × premier terme + dernier terme2 = (n − p + 1) × up + un2
Compter le nombre de termes u₀ + u₁ + … + un contient n + 1 termes. u₁ + u₂ + … + un contient n termes. up + … + un contient n − p + 1 termes.
Exemple 1 (un) est arithmétique avec u₃ = 11 et u₇ = 23.
  1. u₇ = u₃ + 4r, donc 23 = 11 + 4r, soit r = 3.
  2. u₀ = u₃ − 3r = 11 − 9 = 2, donc un = 2 + 3n.
  3. S = u₀ + u₁ + … + u₁₀ a 11 termes, avec u₁₀ = 32 : S = 11 × 2 + 322 = 11 × 17 = 187.
Exemple 2 · Moyenne arithmétique Trouver x pour que 2 ; x + 1 ; 10 soient trois termes consécutifs d’une suite arithmétique : 2 + 10 = 2(x + 1), donc x + 1 = 6 et x = 5.

4Suites géométriques

L’idée À chaque étape, on multiplie toujours par le même nombre q. Exemple : 2 ; 6 ; 18 ; 54 ; … (on multiplie par 3).
Définition (un) est géométrique de raison q (q ≠ 0) si, pour tout n : un+1 = q × un.
Propriétés
  • Terme général : un = up × qn − p. En particulier un = u₀ × qn.
  • Moyenne géométrique : trois termes consécutifs a, b, c vérifient b² = a × c.
  • Somme : pour S = up + up+1 + … + un :
    • si q ≠ 1 : S = up × 1 − qn − p + 11 − q (premier terme × 1 − qnombre de termes1 − q) ;
    • si q = 1 : S = (n − p + 1) × up.
Exemple 1 (un) est géométrique avec u₂ = 12 et u₅ = 96.
  1. u₅ = u₂ × q³, donc 96 = 12 q³, q³ = 8, soit q = 2.
  2. u₀ = u₂q² = 124 = 3, donc un = 3 × 2n.
  3. S = u₀ + … + u₅ (6 termes) = 3 × 1 − 2⁶1 − 2 = 3 × 63 = 189.
Exemple 2 · Moyenne géométrique 2 ; x ; 18 sont consécutifs dans une suite géométrique : x² = 2 × 18 = 36, donc x = 6 ou x = −6.

5Limite finie d’une suite

L’idée Regarde un = 3 + 1n : u₁ = 4, u₂ = 3,5, u₁₀ = 3,1, u₁₀₀ = 3,01… Quand n grandit, les termes se rapprochent de 3. On dit que la limite est 3.
Les points (n ; 3 + 1/n) s’approchent de la droite y = 3.
Définition La suite (un) a pour limite le réel ℓ si tout intervalle ouvert centré en ℓ contient tous les termes à partir d’un certain rang. On note limn→+∞ un = ℓ.
Propriétés
  • Unicité : si une suite a une limite, cette limite est unique.
  • Limites de référence : limn→+∞ 1n = lim 1n² = lim 1n³ = lim 1√n = 0, et plus généralement lim 1nk = 0 pour k > 0.
Exemple un = 3 + 1n : lim 3 = 3 et lim 1n = 0, donc lim un = 3.
Convergence Si la limite est un réel, on dit que la suite est convergente. Sinon (limite infinie ou pas de limite), elle est divergente.

6Limite infinie · Suites divergentes

Définitions
  • lim un = +∞ : pour tout réel A, tous les termes sont supérieurs à A à partir d’un certain rang.
  • lim un = −∞ : pour tout réel A, tous les termes sont inférieurs à A à partir d’un certain rang.
Limites de référence limn→+∞ n = lim n² = lim n³ = lim √n = lim nk = +∞ (pour k > 0). La limite, finie ou infinie, est toujours unique.
Exemples
  • un = n⁴ : lim un = +∞. La suite est divergente.
  • un = (−1)n : les termes valent 1, −1, 1, −1… Si elle avait une limite ℓ, les termes pairs (qui valent 1) imposeraient ℓ = 1 et les termes impairs (qui valent −1) imposeraient ℓ = −1. Par unicité, c’est impossible : pas de limite, la suite est divergente.
Teste toi-même : choisis une suite et regarde ses termes.
n1234510501000

7Opérations sur les limites

Les règles sont les mêmes que pour les limites de fonctions (chapitre 1).

Propriétés Si lim un = ℓ et lim vn = ℓ′ (réels), alors :
  • lim (un + vn) = ℓ + ℓ′ et lim (un × vn) = ℓ × ℓ′ ;
  • si ℓ ≠ 0, lim 1un = 1ℓ ; si ℓ′ ≠ 0, lim unvn = ℓℓ′ ;
  • si ℓ réel et lim vn = ±∞, alors lim (un + vn) = ±∞ ;
  • si un ≤ vn à partir d’un certain rang, alors ℓ ≤ ℓ′ (les inégalités larges passent à la limite).
+∞ − ∞
0 × ∞
00
∞∞

Ce sont les formes indéterminées : il faut transformer l’expression avant de conclure.

Exemple 1 · ∞/∞ (terme dominant) lim 2n² + 3n² + 1 : on factorise n² en haut et en bas : n²(2 + 3/n²)n²(1 + 1/n²) = 2 + 3/n²1 + 1/n² → 21 = 2.
Exemple 2 · ∞ − ∞ (conjugué) lim (√(n + 1) − √n) = lim 1√(n + 1) + √n = 0.
Exemple 3 · ∞ − ∞ (factorisation) lim (3n − n²) = lim n²(3n − 1) = (+∞) × (−1) = −∞.

8Théorèmes de convergence monotone

Théorèmes
  • Toute suite croissante et majorée est convergente.
  • Toute suite décroissante et minorée est convergente.
Attention Ces théorèmes disent que la limite existe, pas sa valeur. Par exemple, une suite croissante majorée par 3 converge vers un réel qui est ≤ 3 (pas forcément 3).
L’idée Une suite qui ne fait que monter ne peut pas dépasser un plafond : elle finit forcément par se « coller » quelque part. Pareil pour une suite qui ne fait que descendre avec un plancher.
Exemple un = 1n³ + 7 (n ≥ 1).
  1. Minorée : 1n³ > 0 donc un > 7 : la suite est minorée par 7.
  2. Décroissante : un+1 − un = 1(n + 1)³ − 1n³ < 0.
  3. Conclusion : décroissante et minorée, donc convergente. Sa limite est 7 (car lim 1n³ = 0).

9Critères de convergence : encadrement

Théorèmes (à partir d’un certain rang)
  1. Gendarmes : si vn ≤ un ≤ wn et lim vn = lim wn = ℓ, alors lim un = ℓ.
  2. Minoration : si vn ≤ un et lim vn = +∞, alors lim un = +∞.
  3. Majoration : si un ≤ vn et lim vn = −∞, alors lim un = −∞.
  4. Valeur absolue : si |un − ℓ| ≤ vn et lim vn = 0, alors lim un = ℓ.
Quand l’utiliser ? Quand la suite contient cos n, sin n ou (−1)n. On n’a pas de limite pour cos n, mais on sait toujours que −1 ≤ cos n ≤ 1.
Exemple 1 · Gendarmes un = cos nn (n ≥ 1). Comme −1 ≤ cos n ≤ 1, on a −1n ≤ un ≤ 1n. Les deux bornes tendent vers 0, donc lim un = 0.
Exemple 2 · Minoration un = 2n + cos n. Comme cos n ≥ −1, un ≥ 2n − 1. Or lim (2n − 1) = +∞, donc lim un = +∞.
Exemple 3 · Valeur absolue un = 2 + (−1)nn (n ≥ 1). |un − 2| = 1n → 0, donc lim un = 2.

10Les suites qn et nr

Limite de qn
Valeur de qlim qnExemple
q > 1+∞lim 3n = +∞
q = 11lim 1n = 1
−1 < q < 10lim (12)n = 0 ; lim (−0,9)n = 0
q ≤ −1pas de limite(−1)n alterne entre −1 et 1
Limite de nr (r rationnel)
  • si r > 0 : lim nr = +∞ (exemple : lim n7/3 = +∞) ;
  • si r < 0 : lim nr = 0 (exemple : lim n−1/2 = 0).
Exemple 1 lim (3n − 2n) est de la forme +∞ − ∞. On factorise : 3n(1 − (23)n). Comme −1 < 23 < 1, (23)n → 0, donc la limite est (+∞) × 1 = +∞.
Exemple 2 lim 2n + 3n3n = lim ((23)n + 1) = 0 + 1 = 1.
Astuce Quand tu as plusieurs puissances, factorise celle de plus grande base (ici 3n) : les autres deviennent des (q)n avec |q| < 1 qui tendent vers 0.

11La suite vn = f(un)

Propriété Si lim un = ℓ et si f est continue en ℓ, alors lim f(un) = f(ℓ).
En clair Si un se rapproche de ℓ et que f est continue en ℓ, alors f(un) se rapproche de f(ℓ). On « passe la limite à l’intérieur » de f.
Exemple 1 f(x) = 5x + 6x + 3 et un = cos nn (n ≥ 1). Calculer lim vn avec vn = f(un).
  1. vn = 5 cos n + 6ncos n + 3n.
  2. lim un = 0 (gendarmes, partie 9).
  3. f est continue sur ℝ \ {−3}, donc en 0, et f(0) = 63 = 2.
  4. Donc lim vn = 2.
Exemple 2 lim cos(πn2n + 1) : πn2n + 1 → π2 et cos est continue en π2, donc la limite vaut cos(π2) = 0.

12Les suites définies par un+1 = f(un)

Théorème (valeur de la limite) Soit (un) définie par u₀ et un+1 = f(un). Si :
  • f est continue sur un intervalle I,
  • f(I) ⊂ I et u₀ ∈ I,
  • (un) converge vers ℓ,
alors ℓ ∈ I et ℓ est solution de l’équation f(x) = x dans I.
Méthode type (à connaître !)
  1. Étudier f (variations) pour trouver un intervalle I stable : f(I) ⊂ I.
  2. Montrer par récurrence que un ∈ I (encadrement).
  3. Étudier la monotonie : signe de un+1 − un.
  4. Conclure que (un) est convergente (théorème de convergence monotone).
  5. Calculer la limite en résolvant f(x) = x dans I.
Exemple complet u₀ = 2 et un+1 = √(6 + un), c’est-à-dire un+1 = f(un) avec f(x) = √(x + 6).
  1. Étude de f : f est continue sur [−6, +∞[ et f′(x) = 12√(x + 6) > 0 : f est strictement croissante. Sur I = [0, 3] : f(I) = [f(0), f(3)] = [√6, 3] ⊂ I.
  2. Encadrement : par récurrence, 0 ≤ un ≤ 3 (voir l’exemple 2 de la partie 1).
  3. Monotonie : un+1 − un = √(6 + un) − un = 6 + un − un²√(6 + un) + un = (3 − un)(2 + un)√(6 + un) + un. Comme 0 ≤ un ≤ 3, ce nombre est ≥ 0 : (un) est croissante.
  4. Convergence : croissante et majorée par 3, donc convergente vers un réel ℓ ∈ [0, 3].
  5. Limite : ℓ vérifie f(ℓ) = ℓ, soit √(ℓ + 6) = ℓ. On élève au carré : ℓ² − ℓ − 6 = 0, soit (ℓ − 3)(ℓ + 2) = 0. Donc ℓ = 3 ou ℓ = −2. Comme ℓ ∈ [0, 3], on garde ℓ = 3.

13Que faire dans un exercice ?

La questionLe réflexe
« Montrer que (un) est arithmétique / géométrique »Calculer un+1 − un (constante ?) ou un+1un (constante ?).
« Exprimer un en fonction de n »un = u₀ + nr (arithmétique) ou u₀ qn (géométrique).
« Calculer une somme »Compter les termes, puis formule arithmétique ou géométrique.
« Étudier la monotonie »Signe de un+1 − un ; ou un+1un vs 1 si un > 0.
« Montrer que un ≤ M pour tout n »Récurrence (initialisation + hérédité).
« Calculer la limite de un »Opérations ; si forme indéterminée : factoriser le terme dominant ou conjugué.
Présence de cos n, sin n, (−1)nEncadrement + gendarmes.
Présence de an, bnFactoriser la plus grande base, utiliser lim qn.
« Montrer que (un) converge »Croissante + majorée (ou décroissante + minorée).
« En déduire la limite » (un+1 = f(un))Résoudre f(x) = x dans l’intervalle I, et choisir la solution qui est dans I.

14Erreurs à éviter

Récurrence sans initialisationIl faut vérifier le premier rang et l’hérédité.
Se tromper de nombre de termesu₀ + … + un a n + 1 termes, pas n.
Confondre « majorée » et « convergente »La suite (−1)n est bornée mais n’a pas de limite.
Croire que croissante ⇒ tend vers +∞Une suite croissante et majorée converge vers un réel.
Limite = borne de l’encadrementLa limite ℓ est solution de f(x) = x, pas forcément le majorant 3 : il faut résoudre l’équation.
Oublier de rejeter une solutionDans f(x) = x, ne garder que la solution qui est dans l’intervalle I.
Limite de qn pour q ≤ −1Il n’y a pas de limite (la suite alterne), ce n’est pas −∞.
Utiliser « ∞ » comme un nombre∞ − ∞ et ∞∞ sont des formes indéterminées : il faut factoriser.

15Exercices d’entraînement corrigés

Cherche d’abord seul(e) sur ton cahier, puis ouvre la solution pour vérifier.

★ Exercice 1 · Arithmétique et géométrique

(a) (un) est arithmétique avec u₀ = 4 et r = −3. Exprimer un et calculer u₀ + u₁ + … + u₁₀. (b) (vn) est géométrique avec v₁ = 6 et q = 12. Calculer v₁ + v₂ + … + v₅.

Voir la solution

(a) un = 4 − 3n. u₁₀ = 4 − 30 = −26. La somme a 11 termes : S = 11 × 4 + (−26)2 = 11 × (−11) = −121.

(b) 5 termes, premier terme v₁ = 6 : S = 6 × 1 − (1/2)⁵1 − 1/2 = 12 × (1 − 132) = 12 × 3132 = 938.

★ Exercice 2 · Monotonie, bornes, limite

Soit un = 2n + 1n + 1 pour n ≥ 0. (1) Montrer que un = 2 − 1n + 1. (2) Étudier la monotonie. (3) Montrer que 1 ≤ un < 2. (4) Calculer la limite.

Voir la solution

(1) 2 − 1n + 1 = 2(n + 1) − 1n + 1 = 2n + 1n + 1.

(2) un+1 − un = 1n + 1 − 1n + 2 = 1(n + 1)(n + 2) > 0 : strictement croissante.

(3) u₀ = 1 et (un) est croissante, donc un ≥ 1. Et 1n + 1 > 0 donne un < 2.

(4) lim 1n + 1 = 0, donc lim un = 2.

★★ Exercice 3 · Calculs de limites

Calculer : (a) lim 3n² − n + 12n² + 5   (b) lim (√(n² + 1) − n)   (c) lim 5n + 2n5n   (d) lim (n + (−1)n)   (e) lim sin nn².

Voir la solution

(a) Terme dominant : 3n²2n² = 32. Limite = 32.

(b) Conjugué : (n² + 1) − n²√(n² + 1) + n = 1√(n² + 1) + n → 0. Limite = 0.

(c) = 1 + (25)n → 1 + 0. Limite = 1.

(d) (−1)n ≥ −1 donc n + (−1)n ≥ n − 1 → +∞. Limite = +∞.

(e) −1n² ≤ sin nn² ≤ 1n², les deux bornes → 0. Limite = 0.

★★ Exercice 4 · Récurrence

Montrer par récurrence que pour tout n ≥ 1 : 1 + 3 + 5 + … + (2n − 1) = n².

Voir la solution

Initialisation : n = 1 : le membre de gauche vaut 1 = 1².

Hérédité : si 1 + 3 + … + (2n − 1) = n², alors 1 + 3 + … + (2n − 1) + (2n + 1) = n² + 2n + 1 = (n + 1)².

Conclusion : la propriété est vraie pour tout n ≥ 1.

★★ Exercice 5 · Suite auxiliaire géométrique

Soit u₀ = 0 et un+1 = 12 un + 1. On pose vn = un − 2. (1) Montrer que (vn) est géométrique. (2) Exprimer vn puis un. (3) Calculer lim un.

Voir la solution

(1) vn+1 = un+1 − 2 = 12 un − 1 = 12(un − 2) = 12 vn. Donc (vn) est géométrique de raison 12, avec v₀ = −2.

(2) vn = −2 (12)n, donc un = 2 − 2 (12)n.

(3) −1 < 12 < 1 donc (12)n → 0 et lim un = 2.

★★ Exercice 6 · Limites avec f(un)

Calculer : (a) lim 3/n + 11/n + 2   (b) lim cos(πn2n + 1).

Voir la solution

(a) Avec un = 1n → 0 et f(x) = 3x + 1x + 2 continue en 0, la limite vaut f(0) = 12.

(b) πn2n + 1 → π2 et cos est continue en π2 : la limite vaut cos(π2) = 0.

★★ Exercice 7 · Encadrement

Soit un = n + sin nn + 1 (n ≥ 0). Montrer que n − 1n + 1 ≤ un ≤ 1 puis calculer la limite.

Voir la solution

−1 ≤ sin n ≤ 1 donne n − 1 ≤ n + sin n ≤ n + 1. On divise par n + 1 > 0 : n − 1n + 1 ≤ un ≤ n + 1n + 1 = 1.

lim n − 1n + 1 = 1 et lim 1 = 1. Par le théorème des gendarmes, lim un = 1.

★★★ Exercice 8 · Suite un+1 = f(un)

Soit u₀ = 0 et un+1 = √(2 + un). (1) Montrer par récurrence que 0 ≤ un ≤ 2. (2) Montrer que (un) est croissante. (3) En déduire qu’elle converge et calculer sa limite.

Voir la solution

(1) Initialisation : u₀ = 0 ∈ [0, 2]. Hérédité : si 0 ≤ un ≤ 2, alors 2 ≤ 2 + un ≤ 4, donc √2 ≤ un+1 ≤ 2, ce qui donne 0 ≤ un+1 ≤ 2.

(2) un+1 − un = 2 + un − un²√(2 + un) + un = (2 − un)(1 + un)√(2 + un) + un ≥ 0 car 0 ≤ un ≤ 2. La suite est croissante.

(3) Croissante et majorée par 2 : convergente vers ℓ ∈ [0, 2]. f(x) = √(2 + x) est continue, donc ℓ = √(2 + ℓ), soit ℓ² − ℓ − 2 = 0, (ℓ − 2)(ℓ + 1) = 0. Comme ℓ ≥ 0 : ℓ = 2.

★Fiche résumé à retenir

  • Récurrence : initialisation + hérédité ⇒ propriété vraie pour tout n ≥ n₀.
  • Arithmétique (raison r) : un = up + (n − p) r ; somme = nb de termes × 1er + dernier2 ; a + c = 2b.
  • Géométrique (raison q) : un = up qn − p ; somme = 1er terme × 1 − qnb de termes1 − q ; b² = ac.
  • Monotonie : signe de un+1 − un. Convergence monotone : croissante + majorée, ou décroissante + minorée ⇒ convergente.
  • Encadrement : vn ≤ un ≤ wn et même limite ℓ ⇒ lim un = ℓ. Minoration par +∞ ⇒ +∞. |un − ℓ| ≤ vn → 0 ⇒ ℓ.
  • qn : +∞ si q > 1 ; 1 si q = 1 ; 0 si |q| < 1 ; pas de limite si q ≤ −1. nr : +∞ si r > 0, 0 si r < 0.
  • f(un) : si un → ℓ et f continue en ℓ, alors f(un) → f(ℓ).
  • un+1 = f(un) : I stable, récurrence, monotonie, convergence, puis ℓ solution de f(x) = x dans I.
lim (régularité) = succès au Bac
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