Dans tout le chapitre, désigne une suite de nombres réels définie pour tout entier naturel (ou à partir d'un certain rang). On s'intéresse à ce que deviennent ses termes quand devient très grand : c'est son comportement asymptotique. Il ne faut pas le confondre avec ses propriétés globales (sens de variation, majorant, minorant), qui portent sur tous les termes.
Leçon 1 : Suites qui tendent vers l'infini
1.1 Un premier exemple
On considère la suite définie par . Ses premiers termes valent et ils grandissent sans s'arrêter.
Choisissons un seuil, par exemple . Si , alors : à partir du rang , tous les termes dépassent . Avec , il suffit de prendre . Quel que soit le seuil choisi, on trouve un rang à partir duquel tous les termes dépassent .
1.2 Définition
Définition (programme). La suite tend vers si tout intervalle de la forme contient toutes les valeurs à partir d'un certain rang. On note
Autrement dit : pour tout réel , il existe un rang tel que, pour tout , . Le rang dépend de : plus est grand, plus il faut aller loin.
Définition (programme). La suite tend vers si tout intervalle de la forme contient toutes les valeurs à partir d'un certain rang. On note .
Lien entre les deux. si et seulement si .
Exemple 1. . Ses termes valent Pour passer sous : . À partir du rang , . Plus généralement, pour tout réel , : tout intervalle contient les termes à partir d'un certain rang. Donc .
1.3 Suites croissantes non majorées
Rappel : une suite est majorée s'il existe un réel tel que pour tout ; elle est minorée s'il existe un réel tel que pour tout .
Théorème (démonstration du programme). Toute suite croissante et non majorée tend vers .
Démonstration. Soit un réel quelconque.
- La suite n'est pas majorée, donc n'est pas un majorant : il existe un rang tel que .
- La suite est croissante, donc pour tout , , et donc .
- Ainsi, l'intervalle contient tous les termes à partir du rang . C'est la définition : .
De même, toute suite décroissante et non minorée tend vers (même raisonnement, ou on l'applique à ).
Exemple 2. .
- La fonction racine carrée est croissante sur , donc est croissante.
- Elle n'est pas majorée : soit ; si , alors . Aucun réel n'est donc un majorant.
D'après le théorème, .
1.4 Deux pièges
« Non majorée » ne suffit pas. La suite vaut si est pair et si est impair. Elle n'est pas majorée (ses termes pairs dépassent tout réel), mais une infinité de ses termes valent : elle ne tend pas vers .
Écrire la négation. Dire que « ne tend pas vers », c'est nier « pour tout réel , il existe un rang tel que, pour tout , ». La négation est :
il existe un réel tel que, pour tout rang , il existe un entier avec .
Pour , le réel convient : pour tout rang , l'entier impair vérifie et .
« Croissante » ne suffit pas. La suite est croissante, mais pour tout : elle est majorée par et ne tend pas vers . On verra à la leçon 2 qu'elle converge vers .
Enfin, une suite qui tend vers n'est pas forcément croissante : vérifie , donc dès que ; elle tend vers , mais .
Leçon 2 : Suites convergentes
2.1 L'idée
La suite () a pour termes ; ; … Au rang , l'écriture décimale de compte chiffres après la virgule. Les termes deviennent aussi proches de qu'on veut, dès que est assez grand : la suite converge vers .
2.2 Définition
Définition (programme). La suite converge vers le nombre réel si tout intervalle ouvert contenant contient toutes les valeurs à partir d'un certain rang. On note
Un intervalle ouvert contenant contient toujours un intervalle de la forme avec . Il suffit donc de vérifier que, pour tout , les termes finissent par rester dans .
Unicité (admise). Si une suite converge, sa limite est unique.
Exemple 3. (). Prenons l'intervalle ouvert , qui contient .
- On a toujours .
- . Attention : n'appartient pas à l'intervalle ouvert.
À partir du rang , tous les termes sont dans . Avec , il faut aller jusqu'au rang . Plus généralement, pour tout , dès que . Donc .
2.3 Limites de référence
| Suite | Limite |
|---|---|
| , , ( entier), | |
| , , ( entier), | |
| suite constante égale à |
Pourquoi ? Pour tout réel , dès que . Les autres limites s'obtiennent de la même façon, ou avec la leçon 1 ( et sont croissantes et non majorées).
2.4 Suites divergentes
Définition. Une suite qui ne converge pas est dite divergente. Deux cas sont possibles :
- elle tend vers ou vers (leçon 1) ;
- elle n'a aucune limite.
Exemple 4. vaut alternativement et .
- L'intervalle ouvert contient , mais aucun des termes de rang impair, qui valent . Comme il y a des rangs impairs aussi loin qu'on veut, ne converge pas vers .
- De même, contient mais aucun terme de rang pair : ne converge pas vers .
- Si est un autre réel, l'intervalle , avec le plus petit des deux nombres et , ne contient aucun terme.
- Enfin, ne tend pas vers : par exemple, ne contient aucun terme.
La suite n'a donc pas de limite.
2.5 Un peu d'histoire
Pendant longtemps, les mathématiciens ont calculé avec des quantités « infiniment petites », sans définition précise de la limite. Le programme rappelle que des fondations solides sont proposées dans le Cours d'analyse d'Augustin Louis Cauchy (1821), qui définit précisément la notion de limite et en fait le point de départ de l'analyse.
Leçon 3 : Opérations sur les limites
Les règles suivantes sont admises. et sont deux suites ; et désignent des réels. « FI » signifie forme indéterminée : les règles ne permettent pas de conclure directement.
3.1 Somme
| FI |
3.2 Produit
| (règle des signes) | (règle des signes) | FI |
3.3 Quotient
| , avec de signe constant à partir d'un certain rang | ||||||
| (signes) | (signes) | FI | FI |
Les quatre formes indéterminées : , , , .
« Indéterminée » ne veut pas dire que la limite n'existe pas : selon les suites, on peut obtenir n'importe quel résultat. Par exemple, alors que , et pourtant les deux sont de la forme . Il faut alors transformer l'écriture.
Exemple 5 (pas d'indétermination). : le premier facteur tend vers , le second vers . Par produit, la limite vaut .
Exemple 6 (règle des signes). Si et , alors .
3.4 Lever une indétermination : factoriser par le terme le plus fort
Exemple 7 (forme ). . On factorise par le terme le plus fort, : La parenthèse tend vers et . Par produit, .
Exemple 8 (forme ). Pour : Le numérateur tend vers et le dénominateur vers : .
Exemple 9 (forme ). Pour : Le premier facteur tend vers , le second vers : .
Autre technique : l'expression conjuguée. Pour une différence de racines, on multiplie et on divise par la somme. Par exemple , qui tend vers (voir l'exercice 6).
Leçon 4 : Comparaison et théorème des gendarmes
4.1 Le théorème de comparaison
Théorème (démonstration du programme). Si, à partir d'un certain rang, , et si , alors .
Autrement dit : une suite minorée par une suite qui diverge vers diverge aussi vers .
Démonstration. Soit un réel.
- Comme , il existe un rang tel que pour tout .
- Par hypothèse, il existe un rang tel que pour tout .
- Soit le plus grand des deux rangs et . Pour tout : .
- L'intervalle contient donc tous les à partir du rang : .
De même, si à partir d'un certain rang et si , alors (exercice 7).
Exemple 10. . Comme , on a . Or . Par comparaison, .
4.2 Le théorème des gendarmes
Théorème des gendarmes (admis). Si, à partir d'un certain rang, , et si et convergent vers la même limite , alors converge vers .
La suite est « coincée » entre deux gendarmes qui se rejoignent en .
Exemple 11. (). Comme et : Les deux suites encadrantes tendent vers . D'après le théorème des gendarmes, .
Méthode. Les suites contenant , ou se traitent souvent ainsi, car , et .
4.3 Passer à la limite dans une inégalité
Propriété (admise). Si à partir d'un certain rang, et si et , alors .
Attention : les inégalités strictes deviennent larges. Pour tout , , mais . Si pour tout et si converge vers , on peut seulement conclure .
Leçon 5 : Limite d'une suite géométrique
5.1 Le théorème
Théorème (programme : « comportement d'une suite géométrique où est un nombre réel »).
| Valeur de | ||||
|---|---|---|---|---|
| pas de limite |
5.2 Rappel : l'inégalité de Bernoulli (chapitre 1)
Pour tout réel et pour tout entier naturel : Elle a été démontrée par récurrence au chapitre 1.
5.3 Démonstration (programme : « limite de , après démonstration par récurrence de l'inégalité de Bernoulli »)
Cas . On pose : et . D'après l'inégalité de Bernoulli, . Comme , . Par comparaison (leçon 4), .
Cas . pour tout : la suite est constante, de limite .
Cas .
- Si , pour tout , donc la limite vaut .
- Sinon, . On pose : , donc d'après le premier cas. Par quotient, tend vers .
- Enfin, , et les deux suites encadrantes tendent vers . Par le théorème des gendarmes, .
Cas .
- Pour , la suite vaut : elle n'a pas de limite (leçon 2, exemple 4).
- Pour , par exemple : Les termes changent de signe à chaque rang et (car ). Les termes de rang pair tendent vers et ceux de rang impair vers : la suite ne converge pas, et elle ne tend ni vers ni vers .
5.4 Application aux suites géométriques
Une suite géométrique de premier terme et de raison s'écrit . Sa limite se déduit du théorème par produit.
Exemple 12. On reprend le placement du chapitre 1 : un capital de € placé à par an (intérêts composés) vaut au bout de années. Comme , .
Exemple 13. car . Et car et .
Exemple 14 (somme géométrique). Pour , on sait depuis la Première que . Avec : Comme , cette somme tend vers .
Leçon 6 : Suites monotones et convergence
6.1 Le théorème de convergence monotone
Théorème (admis, programme). Toute suite croissante et majorée converge. Toute suite décroissante et minorée converge.
6.2 Ce que dit le théorème, et ce qu'il ne dit pas
- Il donne l'existence de la limite, pas sa valeur. Un majorant n'est pas forcément la limite : est majorée par , mais sa limite vaut .
- Si est croissante, majorée par , et converge vers , alors (passage à la limite dans l'inégalité , leçon 4).
- Si est croissante et converge vers , alors pour tout . En effet, s'il existait un rang avec , on aurait pour tout , et l'intervalle ouvert , qui contient , ne contiendrait aucun terme à partir du rang : contradiction.
6.3 Bilan pour une suite monotone
Avec la leçon 1 :
| majorée (ou minorée) | non majorée (ou non minorée) | |
|---|---|---|
| croissante | converge | tend vers |
| décroissante | converge | tend vers |
Une suite monotone a donc toujours une limite, finie ou infinie.
6.4 Exemple complet : une suite définie par récurrence
Exemple 15. et, pour tout , . On calcule , , .
1. Encadrement et monotonie, par récurrence (chapitre 1). Soit : « ».
- Initialisation : et , donc : est vraie.
- Hérédité : supposons . On multiplie par : . On ajoute : . Comme , est vraie.
- Conclusion : pour tout , .
2. Convergence. est croissante et majorée par : elle converge vers un réel .
3. Valeur de la limite. Quand , (ce sont les mêmes termes, décalés d'un rang) et, par opérations, . Par unicité de la limite, , d'où . Donc .
Remarque. Ici, s'exprime avec des opérations sur , et les opérations sur les limites suffisent. Pour une relation plus générale, la continuité de (chapitre 7) permettra de conclure de la même façon.
Leçon 7 : Algorithmes : seuil et valeurs approchées
7.1 Recherche d'un seuil
Problème. On reprend le placement du chapitre 1 : un capital de € est placé à par an, avec intérêts composés, et . Au bout de combien d'années dépasse-t-il € ?
- Le rang cherché existe : , donc , et l'intervalle contient tous les termes à partir d'un certain rang.
- La suite est croissante : une fois le seuil franchi, on reste au-dessus.
Algorithme en langage naturel (« » se lit « prend la valeur ») :
n ← 0
u ← 1000
Tant que u ≤ 2000
u ← 1,03 × u
n ← n + 1
Fin Tant que
En Python :
def seuil(A):
n = 0
u = 1000
while u <= A:
u = 1.03 * u
n = n + 1
return n
seuil(2000) renvoie 24. Vérification : et . Le capital dépasse € au bout de ans.
Attention. La boucle ne s'arrête que parce que le seuil est atteint. Avec une suite majorée par , la condition u <= 2000 resterait vraie et le programme ne s'arrêterait jamais. Avant de lancer un algorithme de seuil, on justifie que le seuil sera atteint (par une limite).
Au chapitre 8, le logarithme permettra de résoudre par le calcul.
7.2 Listes des premiers termes
On peut générer la liste des premiers termes (programme : « notion de liste »).
- En compréhension :
>>> [round(1000 * 1.03**n, 2) for n in range(5)]
[1000.0, 1030.0, 1060.9, 1092.73, 1125.51]
- Par ajouts successifs :
L = []
for n in range(5):
L.append(round(1000 * 1.03**n, 2))
range(5) parcourt les entiers : on obtient les termes de rang à , arrondis au centime.
7.3 Valeurs approchées : l'exemple de
Une suite convergente fournit des valeurs approchées de sa limite. On définit C'est la méthode de Héron, du nom d'un mathématicien grec de l'Antiquité.
Et : donne déjà décimales exactes.
u = 2
for k in range(4):
u = u / 2 + 1 / u
print(u) # affiche 1.4142135623746899
Pourquoi ? On admet ici que la suite converge vers un réel : l'étude de sa convergence est un approfondissement possible du programme (« étude de la convergence de la méthode de Héron »). En passant à la limite dans la relation : et comme , .
Autres valeurs approchées du programme. Le programme cite aussi , , (le nombre d'or) et . Les exercices 12 et 14 traitent et le nombre d'or ; attend le chapitre 8.
Leçon 8 : Modéliser une évolution par une suite
Le programme demande d'« étudier des phénomènes d'évolution modélisables par une suite ». Voici un exemple complet.
8.1 La situation
Une ville lance un service de vélos en libre-service. Au lancement, on compte abonnés. Chaque mois, des abonnés résilient leur abonnement et nouvelles personnes s'abonnent. On note le nombre d'abonnés au bout de mois.
Garder des abonnés revient à multiplier par . Donc et, pour tout :
8.2 Une suite auxiliaire géométrique
On cherche d'abord le réel qui « ne bouge pas » : .
On pose . Alors La suite est géométrique de raison et de premier terme .
8.3 Forme explicite, limite, sens de variation
- , donc . Vérification : et .
- Limite. , donc et .
- Sens de variation. : la suite est croissante.
- Interprétation. Le nombre d'abonnés augmente et se stabilise à long terme autour de , sans jamais atteindre cette valeur ( pour tout ).
8.4 Un seuil
Quand le service dépasse-t-il abonnés ? .
def seuil():
n = 0
u = 2000
while u <= 2900:
u = 0.85 * u + 450
n = n + 1
return n
La fonction renvoie 15 : et . Le service dépasse abonnés au bout de mois.
8.5 La méthode à retenir
Pour une suite avec :
- on cherche le réel tel que ;
- on montre que est géométrique de raison ;
- on en déduit , puis la limite avec la leçon 5 ;
- on interprète les résultats dans la situation (long terme, seuil, sens de variation).
Ce qu'il faut retenir du chapitre
- si tout intervalle contient tous les termes à partir d'un certain rang ; si tout intervalle ouvert contenant contient tous les termes à partir d'un certain rang. La limite, quand elle existe, est unique.
- Une suite croissante et non majorée tend vers (démontré). « Non majorée » seule ou « croissante » seule ne suffit pas.
- Les opérations sur les limites se lisent dans les tableaux. Les quatre formes indéterminées : , , , . Pour les lever, on factorise par le terme le plus fort.
- Comparaison : une suite minorée par une suite qui tend vers tend vers (démontré). Gendarmes : une suite coincée entre deux suites de même limite tend vers . Par passage à la limite, les inégalités deviennent larges.
- si ; si ; si ; pas de limite si . La démonstration utilise l'inégalité de Bernoulli.
- Toute suite croissante majorée, ou décroissante minorée, converge (admis). Le théorème ne donne pas la limite : on la trouve en passant à la limite dans la relation de récurrence.
- Un algorithme de seuil (boucle
while) donne le premier rang où un seuil est franchi, à condition de savoir qu'il le sera. - Pour (), la suite , avec , est géométrique.