ÉTUDE D'UNE SUITE NUMÉRIQUE
I - Représentation graphique d'une suite
Définition 1 :
On appelle représentation graphique d'une suite $(u_n)$ dans un repère l'ensemble de points
$\{M(n, u_n), n \in \mathbb{N}\}$
Application: Représentation graphique d'une suite
Suite définie par une relation explicite.
Soit $(u_n)$ la suite définie par : $\forall n \in \mathbb{N},\, u_n = n^2 + 1$
| $n$ | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $u_n$ | 1 | 2 | 5 | 10 | 17 | 26 |
Suite définie par une relation de récurrence.
Soit $(v_n)$ la suite définie par : $\begin{cases} v_0 = 1 \\ \forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} = v_n^2 + 1 \end{cases}$
| $n$ | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $v_n$ | 1 | 2 | 5 | 26 | 677 | 458330 |
II - Sens de variation d'une suite
Définition 2 :
- On dit qu'une suite est croissante lorsque pour tout $n \in \mathbb{N}$, $u_{n+1} \geq u_n$.
- On dit qu'une suite est constante lorsque pour tout $n \in \mathbb{N}$, $u_{n+1} = u_n$.
- On dit qu'une suite est décroissante lorsque pour tout $n \in \mathbb{N}$, $u_{n+1} \leq u_n$.
Remarque :
Si l'inégalité est stricte, on dit que la suite est strictement croissante ou strictement décroissante.
Application: Sens de variation d'une suite
-
On considère la suite $(u_n)$ définie par : $\forall n \in \mathbb{N},\, u_n = 3n + 2$.
$\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} - u_n = 3(n+1) + 2 - (3n + 2) = 3n + 3 + 2 - 3n - 2 = 3 > 0$
donc $\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} > u_n$
donc $(u_n)$ est strictement croissante. -
On considère la suite $(v_n)$ définie par : $\begin{cases} v_0 = 3 \\ \forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} = v_n - 4 \end{cases}$
$\forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} - v_n = -4 < 0$ donc $\forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} < v_n$
donc $(v_n)$ est strictement décroissante.
Propriété 1 :
Soit $f$ une fonction définie sur $[0\,; +\infty[$ et $(u_n)$ la suite définie par : $\forall n \in \mathbb{N},\, u_n = f(n)$.
- Si $f$ est croissante sur $[0\,; +\infty[$ alors $(u_n)$ est croissante.
- Si $f$ est décroissante sur $[0\,; +\infty[$ alors $(u_n)$ est décroissante.
Démonstration (cas où $f$ est croissante) :
$\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} - u_n = f(n+1) - f(n)$.
Or $f$ est croissante sur $[0\,; +\infty[$ donc pour tous $x_1, x_2 \in [0\,; +\infty[$, si $x_1 \leq x_2$ alors $f(x_1) \leq f(x_2)$.
On a $n+1 \geq n$, donc $f(n+1) \geq f(n)$ soit $f(n+1) - f(n) \geq 0$.
Donc $\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} \geq u_n$, ce qui prouve que la suite $(u_n)$ est croissante.
III - Limite d'une suite
Définition 3 :
Quand, à partir d'un certain rang, l'écart entre les termes d'une suite $(u_n)$ et un nombre donné $\ell$ peut être aussi petit qu'on le veut, on dit que la suite $(u_n)$ tend vers $\ell$ ou bien que la suite $(u_n)$ a pour limite $\ell$ ou bien que la suite $(u_n)$ converge vers $\ell$. On note alors :
$\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = \ell$
Application: Recherche de limite finie
On considère la suite $(u_n)$ définie par : $\forall n \in \mathbb{N}^*,\, u_n = \dfrac{1}{n}$.
En calculant les premiers termes de cette suite, il semble que $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 0$.
Vérification :
Soit $r > 0$ un réel donné. Peut-on trouver un entier $N$ tel que si $n \geq N$ alors $u_n \leq r$ ?
$0 < u_n \leq r \iff 0 < \dfrac{1}{n} \leq r$. Or la fonction inverse est strictement décroissante sur $]0\,; +\infty[$.
Donc $\dfrac{1}{n} \leq r \iff n \geq \dfrac{1}{r}$. Il suffit donc de prendre un entier $N \geq \dfrac{1}{r}$.
Par exemple, si $r = 0,001 = 10^{-3}$, alors on peut prendre $N = \dfrac{1}{10^{-3}} = 10^3 = 1000$.
Lorsque $n \geq 1000$, alors $u_n \leq 0,001$.
Application: Recherche de limite infinie
On considère la suite $(v_n)$ définie sur $\mathbb{N}$ par : $v_n = n^2$.
En calculant les premiers termes de cette suite, on remarque qu'elle devient arbitrairement grande. Il semble que $\lim\limits_{n \to +\infty} v_n = +\infty$.
Vérification :
Soit $A > 0$ un réel donné. Peut-on trouver un entier $N$ tel que si $n \geq N$ alors $v_n \geq A$ ?
$v_n \geq A \iff n^2 \geq A$. Or la fonction racine carrée est strictement croissante sur $[0\,; +\infty[$.
Donc $n^2 \geq A \iff n \geq \sqrt{A}$. Il suffit donc de prendre un entier $N \geq \sqrt{A}$.
Par exemple, si $A = 1\,000\,000 = 10^6$, alors on peut prendre $N = \sqrt{10^6} = 10^3 = 1000$.
Lorsque $n \geq 1000$, alors $v_n \geq 1\,000\,000$.
Application: Suite n'ayant pas de limite
On considère la suite $(w_n)$ définie sur $\mathbb{N}$ par : $w_n = (-1)^n$.
Les termes de cette suite valent alternativement $1$ et $-1$. En effet : $w_0 = 1$, $w_1 = -1$, $w_2 = 1$, $w_3 = -1$, etc.
Cette suite ne se rapproche d'aucun nombre réel particulier (elle ne converge pas) et elle ne tend pas non plus vers $+\infty$ ou $-\infty$ (elle reste bornée entre $-1$ et $1$).
On dit que la suite $(w_n)$ n'admet pas de limite.
# Programme en Python : Recherche de seuil avec une boucle while
Objectif du programme : On considère la suite $(v_n)$ définie pour tout entier naturel $n$ par $v_n = n^2$. Le but est de déterminer le plus petit entier $n$ à partir duquel les termes de la suite dépassent une valeur seuil $A$ strictement positive donnée.
def seuil(A):
n = 0
while n**2 < A:
n = n + 1
return n
# Exemple : à partir de quel rang n^2 dépasse-t-il 1 000 000 ?
print(seuil(1000000))
STUDY OF A NUMERIC SEQUENCE
I - Graphical representation of a sequence
Definition 1:
A graphical representation of a sequence $(u_n)$ in a coordinate system is the set of points
$\{M(n, u_n), n \in \mathbb{N}\}$
Application: Graphical representation of a sequence
Sequence defined by an explicit relation.
Let $(u_n)$ be the sequence defined by: $\forall n \in \mathbb{N},\, u_n = n^2 + 1$
| $n$ | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $u_n$ | 1 | 2 | 5 | 10 | 17 | 26 |
Sequence defined by a recurrence relation.
Let $(v_n)$ be the sequence defined by: $\begin{cases} v_0 = 1 \\ \forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} = v_n^2 + 1 \end{cases}$
| $n$ | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $v_n$ | 1 | 2 | 5 | 26 | 677 | 458330 |
II - Variation of a sequence
Definition 2:
- A sequence is said to be increasing when for all $n \in \mathbb{N}$, $u_{n+1} \geq u_n$.
- A sequence is said to be constant when for all $n \in \mathbb{N}$, $u_{n+1} = u_n$.
- A sequence is said to be decreasing when for all $n \in \mathbb{N}$, $u_{n+1} \leq u_n$.
Remark:
If the inequality is strict, the sequence is said to be strictly increasing or strictly decreasing.
Application: Variation of a sequence
-
Consider the sequence $(u_n)$ defined by: $\forall n \in \mathbb{N},\, u_n = 3n + 2$.
$\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} - u_n = 3(n+1) + 2 - (3n + 2) = 3n + 3 + 2 - 3n - 2 = 3 > 0$
so $\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} > u_n$
so $(u_n)$ is strictly increasing. -
On considère la suite $(v_n)$ définie par : $\begin{cases} v_0 = 3 \\ \forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} = v_n - 4 \end{cases}$
$\forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} - v_n = -4 < 0$ so $\forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} < v_n$
so $(v_n)$ is strictly decreasing.
Property 1:
Let $f$ be a function defined on $[0\,; +\infty[$ and $(u_n)$ the sequence defined by: $\forall n \in \mathbb{N},\, u_n = f(n)$.
- If $f$ is increasing on $[0\,; +\infty[$ then $(u_n)$ is increasing.
- If $f$ is decreasing on $[0\,; +\infty[$ then $(u_n)$ is decreasing.
Proof (case where $f$ is increasing):
$\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} - u_n = f(n+1) - f(n)$.
Or $f$ est croissante sur $[0\,; +\infty[$ so pour tous $x_1, x_2 \in [0\,; +\infty[$, si $x_1 \leq x_2$ alors $f(x_1) \leq f(x_2)$.
On a $n+1 \geq n$, so $f(n+1) \geq f(n)$ soit $f(n+1) - f(n) \geq 0$.
Therefore, $\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} \geq u_n$, which proves that the sequence $(u_n)$ is increasing.
III - Limit of a sequence
Definition 3:
When, from a certain rank, the difference between the terms of a sequence $(u_n)$ and a given number $\ell$ can be as small as we want, we say that the sequence $(u_n)$ tends to $\ell$ or that the sequence $(u_n)$ has limit $\ell$ or that the sequence $(u_n)$ converges to $\ell$. We then denote:
$\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = \ell$
Application: Finding a finite limit
Consider the sequence $(u_n)$ defined by: $\forall n \in \mathbb{N}^*,\, u_n = \dfrac{1}{n}$.
By calculating the first terms of this sequence, it seems that $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 0$.
Verification:
Let $r > 0$ be a given real number. Can we find an integer $N$ such that if $n \geq N$ then $u_n \leq r$?
$0 < u_n \leq r \iff 0 < \dfrac{1}{n} \leq r$. But the inverse function is strictly decreasing on $]0\,; +\infty[$.
Donc $\dfrac{1}{n} \leq r \iff n \geq \dfrac{1}{r}$. Il suffit so de prendre un entier $N \geq \dfrac{1}{r}$.
For example, if $r = 0.001 = 10^{-3}$, then we can take $N = \dfrac{1}{10^{-3}} = 10^3 = 1000$.
When $n \geq 1000$, then $u_n \leq 0.001$.
Application: Finding an infinite limit
Consider the sequence $(v_n)$ defined on $\mathbb{N}$ by: $v_n = n^2$.
By calculating the first terms of this sequence, we notice that it becomes arbitrarily large. Il semble que $\lim\limits_{n \to +\infty} v_n = +\infty$.
Verification:
Let $A > 0$ be a given real number. Can we find an integer $N$ such that if $n \geq N$ then $v_n \geq A$?
$v_n \geq A \iff n^2 \geq A$. But the square root function is strictly increasing on $[0\,; +\infty[$.
Donc $n^2 \geq A \iff n \geq \sqrt{A}$. Il suffit so de prendre un entier $N \geq \sqrt{A}$.
For example, if $A = 1,000,000 = 10^6$, then we can take $N = \sqrt{10^6} = 10^3 = 1000$.
When $n \geq 1000$, then $v_n \geq 1,000,000$.
Application: Sequence with no limit
Consider the sequence $(w_n)$ defined on $\mathbb{N}$ by: $w_n = (-1)^n$.
The terms of this sequence alternate between $1$ and $-1$. Indeed: $w_0 = 1$, $w_1 = -1$, $w_2 = 1$, $w_3 = -1$, etc.
This sequence does not approach any particular real number (it does not converge) and it does not tend to $+\infty$ or $-\infty$ (it remains bounded between $-1$ and $1$).
We say that the sequence $(w_n)$ has no limit.
# Python Program: Threshold search with a while loop
Objective of the program: Consider the sequence $(v_n)$ defined for all natural numbers $n$ by $v_n = n^2$. The goal is to determine the smallest integer $n$ from which the terms of the sequence exceed a given strictly positive threshold value $A$.
def seuil(A):
n = 0
while n**2 < A:
n = n + 1
return n
# Example: from which rank does n^2 exceed 1,000,000?
print(seuil(1000000))
ESTUDIO DE UNA SUCESIÓN NUMÉRICA
I - Representación gráfica de una sucesión
Definición 1:
Se llama representación gráfica de una sucesión $(u_n)$ en un sistema de coordenadas al conjunto de puntos
$\{M(n, u_n), n \in \mathbb{N}\}$
Aplicación: Representación gráfica de una sucesión
Sucesión definida por una relación explícita.
Sea $(u_n)$ la sucesión definida por: $\forall n \in \mathbb{N},\, u_n = n^2 + 1$
| $n$ | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $u_n$ | 1 | 2 | 5 | 10 | 17 | 26 |
Sucesión definida por una relación de recurrencia.
Sea $(v_n)$ la sucesión definida por: $\begin{cases} v_0 = 1 \\ \forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} = v_n^2 + 1 \end{cases}$
| $n$ | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $v_n$ | 1 | 2 | 5 | 26 | 677 | 458330 |
II - Sentido de variación de una sucesión
Definición 2:
- Se dice que una sucesión es creciente cuando para todo $n \in \mathbb{N}$, $u_{n+1} \geq u_n$.
- Se dice que una sucesión es constante cuando para todo $n \in \mathbb{N}$, $u_{n+1} = u_n$.
- Se dice que una sucesión es decreciente cuando para todo $n \in \mathbb{N}$, $u_{n+1} \leq u_n$.
Observación:
Si la desigualdad es estricta, se dice que la sucesión es estrictamente creciente o estrictamente decreciente.
Aplicación: Variación de una sucesión
-
Consideremos la sucesión $(u_n)$ definida por: $\forall n \in \mathbb{N},\, u_n = 3n + 2$.
$\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} - u_n = 3(n+1) + 2 - (3n + 2) = 3n + 3 + 2 - 3n - 2 = 3 > 0$
así que $\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} > u_n$
así que $(u_n)$ es estrictamente creciente. -
On considère la suite $(v_n)$ définie par : $\begin{cases} v_0 = 3 \\ \forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} = v_n - 4 \end{cases}$
$\forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} - v_n = -4 < 0$ así que $\forall n \in \mathbb{N},\, v_{n+1} < v_n$
así que $(v_n)$ es estrictamente decreciente.
Propiedad 1:
Sea $f$ una función definida en $[0\,; +\infty[$ y $(u_n)$ la sucesión definida por: $\forall n \in \mathbb{N},\, u_n = f(n)$.
- Si $f$ es creciente en $[0\,; +\infty[$ entonces $(u_n)$ es creciente.
- Si $f$ es decreciente en $[0\,; +\infty[$ entonces $(u_n)$ es decreciente.
Demostración (caso donde $f$ es creciente):
$\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} - u_n = f(n+1) - f(n)$.
Or $f$ est croissante sur $[0\,; +\infty[$ así que pour tous $x_1, x_2 \in [0\,; +\infty[$, si $x_1 \leq x_2$ alors $f(x_1) \leq f(x_2)$.
On a $n+1 \geq n$, así que $f(n+1) \geq f(n)$ soit $f(n+1) - f(n) \geq 0$.
Por lo tanto, $\forall n \in \mathbb{N},\, u_{n+1} \geq u_n$, lo que prueba que la sucesión $(u_n)$ es creciente.
III - Límite de una sucesión
Definición 3:
Cuando, a partir de un cierto rango, la diferencia entre los términos de una sucesión $(u_n)$ y un número dado $\ell$ puede ser tan pequeña como queramos, decimos que la sucesión $(u_n)$ tiende a $\ell$ o que la sucesión $(u_n)$ tiene límite $\ell$ o que la sucesión $(u_n)$ converge a $\ell$. Entonces denotamos:
$\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = \ell$
Aplicación: Búsqueda de límite finito
Consideremos la sucesión $(u_n)$ definida por: $\forall n \in \mathbb{N}^*,\, u_n = \dfrac{1}{n}$.
Al calcular los primeros términos de esta sucesión, parece que $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 0$.
Verificación:
Sea $r > 0$ un número real dado. ¿Podemos encontrar un entero $N$ tal que si $n \geq N$ entonces $u_n \leq r$?
$0 < u_n \leq r \iff 0 < \dfrac{1}{n} \leq r$. Pero la función inversa es estrictamente decreciente en $]0\,; +\infty[$.
Donc $\dfrac{1}{n} \leq r \iff n \geq \dfrac{1}{r}$. Il suffit así que de prendre un entier $N \geq \dfrac{1}{r}$.
Por ejemplo, si $r = 0,001 = 10^{-3}$, entonces podemos tomar $N = \dfrac{1}{10^{-3}} = 10^3 = 1000$.
Cuando $n \geq 1000$, entonces $u_n \leq 0,001$.
Aplicación: Búsqueda de límite infinito
Consideremos la sucesión $(v_n)$ definida en $\mathbb{N}$ por: $v_n = n^2$.
Al calcular los primeros términos de esta sucesión, notamos que se vuelve arbitrariamente grande. Il semble que $\lim\limits_{n \to +\infty} v_n = +\infty$.
Verificación:
Sea $A > 0$ un número real dado. ¿Podemos encontrar un entero $N$ tal que si $n \geq N$ entonces $v_n \geq A$?
$v_n \geq A \iff n^2 \geq A$. Pero la función raíz cuadrada es estrictamente creciente en $[0\,; +\infty[$.
Donc $n^2 \geq A \iff n \geq \sqrt{A}$. Il suffit así que de prendre un entier $N \geq \sqrt{A}$.
Por ejemplo, si $A = 1\,000\,000 = 10^6$, entonces podemos tomar $N = \sqrt{10^6} = 10^3 = 1000$.
Cuando $n \geq 1000$, entonces $v_n \geq 1\,000\,000$.
Aplicación: Sucesión sin límite
Consideremos la sucesión $(w_n)$ definida en $\mathbb{N}$ por: $w_n = (-1)^n$.
Los términos de esta sucesión alternan entre $1$ y $-1$. En efecto: $w_0 = 1$, $w_1 = -1$, $w_2 = 1$, $w_3 = -1$, etc.
Esta sucesión no se acerca a ningún número real particular (no converge) y tampoco tiende a $+\infty$ o $-\infty$ (permanece acotada entre $-1$ y $1$).
Decimos que la sucesión $(w_n)$ no tiene límite.
# Programa en Python: Búsqueda de umbral con bucle while
Objetivo del programa: Consideremos la sucesión $(v_n)$ definida para todo entero natural $n$ por $v_n = n^2$. El objetivo es determinar el entero más pequeño $n$ a partir del cual los términos de la sucesión superan un valor umbral $A$ estrictamente positivo dado.
def seuil(A):
n = 0
while n**2 < A:
n = n + 1
return n
# Ejemplo: ¿a partir de qué rango n^2 supera 1.000.000?
print(seuil(1000000))