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Leçon 1

Suites qui tendent vers l'infini

Vidéo 1 : Suites qui tendent vers l'infini · 4 min 19 s · sous-titres en français

Le cours écrit

1.1 Un premier exemple

On considère la suite définie par un=n2u_n = n^2. Ses premiers termes valent 0,1,4,9,16,…0, 1, 4, 9, 16, \ldots et ils grandissent sans s'arrêter.

Choisissons un seuil, par exemple A=10 000A = 10\,000. Si n≥100n \geq 100, alors n2≥1002=10 000n^2 \geq 100^2 = 10\,000 : à partir du rang 100100, tous les termes dépassent 10 00010\,000. Avec A=106A = 10^6, il suffit de prendre n≥1000n \geq 1000. Quel que soit le seuil AA choisi, on trouve un rang à partir duquel tous les termes dépassent AA.

1.2 Définition

Définition (programme). La suite (un)(u_n) tend vers +∞+\infty si tout intervalle de la forme [A ;+∞[[A\,;+\infty[ contient toutes les valeurs unu_n à partir d'un certain rang. On note lim⁡n→+∞un=+∞.\lim_{n\to+\infty} u_n = +\infty.

Autrement dit : pour tout réel AA, il existe un rang NN tel que, pour tout n≥Nn \geq N, un≥Au_n \geq A. Le rang NN dépend de AA : plus AA est grand, plus il faut aller loin.

Définition (programme). La suite (un)(u_n) tend vers −∞-\infty si tout intervalle de la forme ]−∞ ;A]]-\infty\,;A] contient toutes les valeurs unu_n à partir d'un certain rang. On note lim⁡n→+∞un=−∞\lim\limits_{n\to+\infty} u_n = -\infty.

Lien entre les deux. lim⁡n→+∞un=−∞\lim\limits_{n\to+\infty} u_n = -\infty si et seulement si lim⁡n→+∞(−un)=+∞\lim\limits_{n\to+\infty} (-u_n) = +\infty.

Exemple 1. vn=5−2nv_n = 5 - 2n. Ses termes valent 5,3,1,−1,…5, 3, 1, -1, \ldots Pour passer sous −1000-1000 : 5−2n≤−1000  ⟺  2n≥1005  ⟺  n≥502,55 - 2n \leq -1000 \iff 2n \geq 1005 \iff n \geq 502{,}5. À partir du rang 503503, vn≤−1000v_n \leq -1000. Plus généralement, pour tout réel AA, 5−2n≤A  ⟺  n≥5−A25 - 2n \leq A \iff n \geq \dfrac{5 - A}{2} : tout intervalle ]−∞ ;A]]-\infty\,;A] contient les termes à partir d'un certain rang. Donc lim⁡n→+∞vn=−∞\lim\limits_{n\to+\infty} v_n = -\infty.

1.3 Suites croissantes non majorées

Rappel : une suite (un)(u_n) est majorée s'il existe un réel MM tel que un≤Mu_n \leq M pour tout nn ; elle est minorée s'il existe un réel mm tel que un≥mu_n \geq m pour tout nn.

Théorème (démonstration du programme). Toute suite croissante et non majorée tend vers +∞+\infty.

Démonstration. Soit AA un réel quelconque.

  1. La suite n'est pas majorée, donc AA n'est pas un majorant : il existe un rang NN tel que uN>Au_N > A.
  2. La suite est croissante, donc pour tout n≥Nn \geq N, un≥uNu_n \geq u_N, et donc un>Au_n > A.
  3. Ainsi, l'intervalle [A ;+∞[[A\,;+\infty[ contient tous les termes à partir du rang NN. C'est la définition : lim⁡n→+∞un=+∞\lim\limits_{n\to+\infty} u_n = +\infty.

De même, toute suite décroissante et non minorée tend vers −∞-\infty (même raisonnement, ou on l'applique à (−un)(-u_n)).

Exemple 2. un=nu_n = \sqrt n.

  • La fonction racine carrée est croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, donc (un)(u_n) est croissante.
  • Elle n'est pas majorée : soit M>0M > 0 ; si n>M2n > M^2, alors n>M2=M\sqrt n > \sqrt{M^2} = M. Aucun réel MM n'est donc un majorant.

D'après le théorème, lim⁡n→+∞n=+∞\lim\limits_{n\to+\infty} \sqrt n = +\infty.

1.4 Deux pièges

« Non majorée » ne suffit pas. La suite wn=n(1+(−1)n)w_n = n\big(1 + (-1)^n\big) vaut 2n2n si nn est pair et 00 si nn est impair. Elle n'est pas majorée (ses termes pairs dépassent tout réel), mais une infinité de ses termes valent 00 : elle ne tend pas vers +∞+\infty.

Écrire la négation. Dire que « (un)(u_n) ne tend pas vers +∞+\infty », c'est nier « pour tout réel AA, il existe un rang NN tel que, pour tout n≥Nn \geq N, un≥Au_n \geq A ». La négation est :

il existe un réel AA tel que, pour tout rang NN, il existe un entier n≥Nn \geq N avec un<Au_n < A.

Pour (wn)(w_n), le réel A=1A = 1 convient : pour tout rang NN, l'entier impair n=2N+1n = 2N + 1 vérifie n≥Nn \geq N et wn=0<1w_n = 0 < 1.

« Croissante » ne suffit pas. La suite un=1−1n+1u_n = 1 - \dfrac{1}{n+1} est croissante, mais un<1u_n < 1 pour tout nn : elle est majorée par 11 et ne tend pas vers +∞+\infty. On verra à la leçon 2 qu'elle converge vers 11.

Enfin, une suite qui tend vers +∞+\infty n'est pas forcément croissante : tn=n+2(−1)nt_n = n + 2(-1)^n vérifie tn≥n−2t_n \geq n - 2, donc tn≥At_n \geq A dès que n≥A+2n \geq A + 2 ; elle tend vers +∞+\infty, mais t1=−1<t0=2t_1 = -1 < t_0 = 2.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 1 et 2

  • Exercice 1 : utiliser la définition
  • Exercice 2 : croissante, non majorée, et contre-exemples

Exercices du chapitre (PDF, 140 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 169 Ko)

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