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Évaluation de progression · Chapitre 2

Devoir sur 20 : Limites de suites

Devoir d'une heure, noté sur 20 points. Calculatrice autorisée. Seuil proposé : 10/20. Corrigé et barème à la fin.

Sujet

Exercice 1 (6 points)

Déterminer la limite de chaque suite, en justifiant. Les suites sont définies pour n≥1n \geq 1. (1 point par question)

  1. an=2n2−3n2+1a_n = \dfrac{2n^2 - 3}{n^2 + 1}
  2. bn=n−nb_n = \sqrt n - n
  3. cn=4−3×0,8nc_n = 4 - 3 \times 0{,}8^n
  4. dn=2n−5nd_n = 2^n - 5^n
  5. en=3+(−1)nn2e_n = 3 + \dfrac{(-1)^n}{n^2}
  6. fn=n−2sin⁡nf_n = n - 2\sin n

Exercice 2 (5 points)

On rappelle l'inégalité de Bernoulli : pour tout réel a>0a > 0 et tout entier naturel nn, (1+a)n≥1+na(1 + a)^n \geq 1 + na.

  1. Démontrer que, si q>1q > 1, alors lim⁡n→+∞qn=+∞\displaystyle\lim_{n\to+\infty} q^n = +\infty. (2 points)
  2. En déduire que, si 0<q<10 < q < 1, alors lim⁡n→+∞qn=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty} q^n = 0. (1 point)
  3. Soit un=50×1,2nu_n = 50 \times 1{,}2^n.
    • a. Déterminer la limite de (un)(u_n). (0,5 point)
    • b. Écrire une fonction Python qui renvoie le plus petit entier nn tel que un>1000u_n > 1000, puis donner ce rang. Pourquoi la boucle s'arrête-t-elle ? (1,5 point)

Exercice 3 (9 points)

En 2027, une réserve naturelle accueille 20002000 oiseaux. Chaque année, 20 %20\,\% des oiseaux quittent la réserve ou meurent, et 10001000 nouveaux oiseaux s'y installent. On note unu_n le nombre d'oiseaux en 2027+n2027 + n : u0=2000u_0 = 2000 et, pour tout nn, un+1=0,8 un+1000u_{n+1} = 0{,}8\,u_n + 1000.

  1. Calculer u1u_1 et u2u_2. (1 point)
  2. Démontrer par récurrence que, pour tout nn, un≤un+1≤5000u_n \leq u_{n+1} \leq 5000. (2 points)
  3. En déduire que la suite (un)(u_n) converge. (1 point)
  4. On pose vn=un−5000v_n = u_n - 5000. Montrer que (vn)(v_n) est une suite géométrique ; préciser sa raison et son premier terme. (1,5 point)
  5. En déduire l'expression de unu_n en fonction de nn, puis la limite de (un)(u_n). Interpréter. (1,5 point)
  6. À partir de quelle année la réserve accueille-t-elle plus de 49004900 oiseaux ? Justifier à l'aide d'un algorithme de seuil. (2 points)
Corrigé et barème (après avoir cherché)

Exercice 1

1. (1 pt) Forme ∞∞\frac{\infty}{\infty}. an=n2(2−3n2)n2(1+1n2)=2−3n21+1n2→2a_n = \dfrac{n^2\left(2 - \frac{3}{n^2}\right)}{n^2\left(1 + \frac{1}{n^2}\right)} = \dfrac{2 - \frac{3}{n^2}}{1 + \frac{1}{n^2}} \to 2. lim⁡an=2\lim a_n = 2.

2. (1 pt) Forme ∞−∞\infty - \infty. bn=n(1n−1)b_n = n\left(\dfrac{1}{\sqrt n} - 1\right) ; la parenthèse tend vers −1-1 et n→+∞n \to +\infty. lim⁡bn=−∞\lim b_n = -\infty.

3. (1 pt) −1<0,8<1-1 < 0{,}8 < 1, donc 0,8n→00{,}8^n \to 0. lim⁡cn=4\lim c_n = 4.

4. (1 pt) Forme ∞−∞\infty - \infty. dn=5n((25)n−1)d_n = 5^n\left(\left(\frac25\right)^n - 1\right) ; la parenthèse tend vers −1-1 et 5n→+∞5^n \to +\infty. lim⁡dn=−∞\lim d_n = -\infty.

5. (1 pt) 3−1n2≤en≤3+1n23 - \dfrac{1}{n^2} \leq e_n \leq 3 + \dfrac{1}{n^2} et les deux bornes tendent vers 33. Théorème des gendarmes : lim⁡en=3\lim e_n = 3.

6. (1 pt) sin⁡n≤1\sin n \leq 1, donc fn≥n−2f_n \geq n - 2, et n−2→+∞n - 2 \to +\infty. Par comparaison : lim⁡fn=+∞\lim f_n = +\infty.

Exercice 2

1. (2 pts)

  • (0,5 pt) On pose a=q−1>0a = q - 1 > 0, de sorte que q=1+aq = 1 + a.
  • (0,5 pt) Bernoulli : qn=(1+a)n≥1+naq^n = (1 + a)^n \geq 1 + na.
  • (0,5 pt) a>0a > 0, donc 1+na→+∞1 + na \to +\infty.
  • (0,5 pt) Par comparaison, qn→+∞q^n \to +\infty.

2. (1 pt) Si 0<q<10 < q < 1, alors 1q>1\dfrac1q > 1, donc (1q)n→+∞\left(\dfrac1q\right)^n \to +\infty d'après la question 1. Par quotient, qn=1(1q)n→0q^n = \dfrac{1}{\left(\frac1q\right)^n} \to 0.

3.a (0,5 pt) 1,2>11{,}2 > 1, donc 1,2n→+∞1{,}2^n \to +\infty et, par produit par 50>050 > 0, lim⁡un=+∞\lim u_n = +\infty.

3.b (1,5 pt)

def seuil():
    n = 0
    u = 50
    while u <= 1000:
        u = 1.2 * u
        n = n + 1
    return n
  • (0,5 pt) Programme correct.
  • (0,5 pt) La fonction renvoie 1717 : 50×1,216≈924,450 \times 1{,}2^{16} \approx 924{,}4 et 50×1,217≈1109,350 \times 1{,}2^{17} \approx 1109{,}3.
  • (0,5 pt) La boucle s'arrête car un→+∞u_n \to +\infty : l'intervalle ]1000 ;+∞[]1000\,;+\infty[ contient tous les termes à partir d'un certain rang.

Exercice 3

1. (1 pt) u1=0,8×2000+1000=2600u_1 = 0{,}8 \times 2000 + 1000 = 2600 ;   u2=0,8×2600+1000=3080\;u_2 = 0{,}8 \times 2600 + 1000 = 3080.

2. (2 pts) Soit P(n)P(n) : « un≤un+1≤5000u_n \leq u_{n+1} \leq 5000 ».

  • (0,5 pt) Initialisation : u0=2000≤u1=2600≤5000u_0 = 2000 \leq u_1 = 2600 \leq 5000.
  • (1 pt) Hérédité : si un≤un+1≤5000u_n \leq u_{n+1} \leq 5000, on multiplie par 0,8>00{,}8 > 0 et on ajoute 10001000 : 0,8 un+1000≤0,8 un+1+1000≤0,8×5000+10000{,}8\,u_n + 1000 \leq 0{,}8\,u_{n+1} + 1000 \leq 0{,}8 \times 5000 + 1000, soit un+1≤un+2≤5000u_{n+1} \leq u_{n+2} \leq 5000.
  • (0,5 pt) Conclusion : pour tout nn, un≤un+1≤5000u_n \leq u_{n+1} \leq 5000.

3. (1 pt) (un)(u_n) est croissante et majorée par 50005000 : elle converge (théorème de convergence monotone).

4. (1,5 pt) vn+1=un+1−5000=0,8 un+1000−5000=0,8 un−4000=0,8 (un−5000)=0,8 vnv_{n+1} = u_{n+1} - 5000 = 0{,}8\,u_n + 1000 - 5000 = 0{,}8\,u_n - 4000 = 0{,}8\,(u_n - 5000) = 0{,}8\,v_n. (vn)(v_n) est géométrique de raison 0,80{,}8, de premier terme v0=2000−5000=−3000v_0 = 2000 - 5000 = -3000.

5. (1,5 pt)

  • (0,5 pt) vn=−3000×0,8nv_n = -3000 \times 0{,}8^n, donc un=5000−3000×0,8nu_n = 5000 - 3000 \times 0{,}8^n.
  • (0,5 pt) −1<0,8<1-1 < 0{,}8 < 1, donc 0,8n→00{,}8^n \to 0 et lim⁡un=5000\lim u_n = 5000.
  • (0,5 pt) À long terme, le nombre d'oiseaux se stabilise autour de 50005000 (sans dépasser cette valeur).

6. (2 pts)

  • (0,5 pt) un>4900  ⟺  3000×0,8n<100  ⟺  0,8n<130u_n > 4900 \iff 3000 \times 0{,}8^n < 100 \iff 0{,}8^n < \dfrac{1}{30}.
  • (1 pt) Algorithme de seuil (boucle while u <= 4900 avec u = 0.8 * u + 1000) : il renvoie 1616. Contrôle : u15≈4894u_{15} \approx 4894 et u16≈4916u_{16} \approx 4916.
  • (0,5 pt) La réserve accueille plus de 49004900 oiseaux à partir de 2043 (2027+162027 + 16).
Compétences évaluées
Question Compétence (objectif de la fiche du chapitre)
Ex. 1, questions 1, 2 et 4 O5 Opérations sur les limites, formes indéterminées
Ex. 1, question 3 O7 Limite de qnq^n
Ex. 1, questions 5 et 6 O6 Comparaison, théorème des gendarmes
Ex. 2, questions 1 et 2 O7 Démonstration de la limite de qnq^n (Bernoulli)
Ex. 2, question 3 O9 Algorithme de seuil
Ex. 3, questions 1 à 3 Chapitre 1 (récurrence) ; O8 Convergence monotone
Ex. 3, questions 4 à 6 O10 Modéliser une évolution ; O7 ; O9
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