ÉTUDE D'UNE SUITE
Exercice 1 : Étude des variations (suites explicites)
Étudier le sens de variation des suites suivantes :
- $u_n = n^2 - 4n + 3$, définie pour $n \ge 2$.
- $v_n = \dfrac{3n+1}{n+2}$, définie pour $n \in \mathbb{N}$.
- $w_n = \left(\dfrac{1}{2}\right)^n - 5$, définie pour $n \in \mathbb{N}$.
- $t_n = -2n^2 + 3n - 1$, définie pour $n \in \mathbb{N}$.
- $s_n = \dfrac{2^n}{n}$, définie pour $n \ge 1$.
Corrigé :
1. Suite $(u_n)$ :
On étudie le signe de $u_{n+1} - u_n$ pour $n \ge 2$.
$u_{n+1} = (n+1)^2 - 4(n+1) + 3 = (n^2 + 2n + 1) - 4n - 4 + 3 = n^2 - 2n$
$u_{n+1} - u_n = (n^2 - 2n) - (n^2 - 4n + 3) = 2n - 3$
Pour $n \ge 2$, on a $2n \ge 4$, ce qui implique $2n - 3 \ge 4 - 3 = 1$.
Donc, pour tout $n \ge 2$, $u_{n+1} - u_n > 0$.
La suite $(u_n)$ est strictement croissante pour $n \ge 2$.
2. Suite $(v_n)$ :
On étudie le signe de $v_{n+1} - v_n$.
$v_{n+1} = \dfrac{3(n+1)+1}{(n+1)+2} = \dfrac{3n+4}{n+3}$
$v_{n+1} - v_n = \dfrac{3n+4}{n+3} - \dfrac{3n+1}{n+2} = \dfrac{(3n+4)(n+2) - (3n+1)(n+3)}{(n+3)(n+2)}$
Numérateur : $(3n^2 + 6n + 4n + 8) - (3n^2 + 9n + n + 3) = (3n^2 + 10n + 8) - (3n^2 + 10n + 3) = 5$
$v_{n+1} - v_n = \dfrac{5}{(n+3)(n+2)}$
Pour $n \in \mathbb{N}$, $n+3 > 0$ et $n+2 > 0$. Le numérateur est $5 > 0$.
Comme $v_{n+1} - v_n > 0$, la suite $(v_n)$ est strictement croissante.
3. Suite $(w_n)$ :
On étudie le signe de $w_{n+1} - w_n$.
$w_{n+1} - w_n = \left(\left(\dfrac{1}{2}\right)^{n+1} - 5\right) - \left(\left(\dfrac{1}{2}\right)^n - 5\right) = \left(\dfrac{1}{2}\right)^{n+1} - \left(\dfrac{1}{2}\right)^n$
$= \left(\dfrac{1}{2}\right)^n \times \left(\dfrac{1}{2} - 1\right) = \left(\dfrac{1}{2}\right)^n \times \left(-\dfrac{1}{2}\right) = -\left(\dfrac{1}{2}\right)^{n+1}$
Comme $\left(\dfrac{1}{2}\right)^{n+1} > 0$ pour tout $n$, on a $w_{n+1} - w_n < 0$.
La suite $(w_n)$ est strictement décroissante.
4. Suite $(t_n)$ :
On étudie le signe de $t_{n+1} - t_n$.
$t_{n+1} = -2(n+1)^2 + 3(n+1) - 1 = -2(n^2 + 2n + 1) + 3n + 3 - 1 = -2n^2 - 4n - 2 + 3n + 2 = -2n^2 - n$
$t_{n+1} - t_n = (-2n^2 - n) - (-2n^2 + 3n - 1) = -4n + 1$
Or $-4n + 1 < 0 \iff 4n > 1 \iff n > 0.25$. Donc pour $n \ge 1$, $t_{n+1} - t_n < 0$.
La suite $(t_n)$ est strictement décroissante pour $n \ge 1$.
5. Suite $(s_n)$ :
Comme $s_n > 0$ pour tout $n \ge 1$, on étudie le quotient $\dfrac{s_{n+1}}{s_n}$.
$s_{n+1} = \dfrac{2^{n+1}}{n+1}$
$\dfrac{s_{n+1}}{s_n} = \dfrac{\dfrac{2^{n+1}}{n+1}}{\dfrac{2^n}{n}} = \dfrac{2^{n+1}}{n+1} \times \dfrac{n}{2^n} = \dfrac{2^{n+1}}{2^n} \times \dfrac{n}{n+1} = 2 \times \dfrac{n}{n+1} = \dfrac{2n}{n+1}$
On compare ce quotient à 1 :
$\dfrac{2n}{n+1} > 1 \iff 2n > n + 1 \iff n > 1$.
Pour $n \ge 2$, $\dfrac{s_{n+1}}{s_n} > 1$, ce qui implique $s_{n+1} > s_n$.
La suite $(s_n)$ est strictement croissante pour $n \ge 1$.
Exercice 2 : Étude des variations (suites récurrentes)
Étudier le sens de variation des suites suivantes :
- $(u_n)$ définie par : $\begin{cases} u_0 = 7 \\ \forall n \in \mathbb{N}, u_{n+1} = u_n - 5 \end{cases}$
- $(v_n)$ définie par : $\begin{cases} v_0 = 2 \\ \forall n \in \mathbb{N}, v_{n+1} = v_n + n^2 + 1 \end{cases}$
- $(w_n)$ définie par : $\begin{cases} w_0 = 4 \\ \forall n \in \mathbb{N}, w_{n+1} = w_n - n^2 + n - 1 \end{cases}$
- $(x_n)$ définie par : $\begin{cases} x_0 = 0 \\ \forall n \in \mathbb{N}, x_{n+1} = x_n + \dfrac{1}{n+1} \end{cases}$
- $(y_n)$ définie par : $\begin{cases} y_0 = 10 \\ \forall n \in \mathbb{N}, y_{n+1} = y_n - 2^n \end{cases}$
Corrigé :
1. Suite $(u_n)$ :
On calcule $u_{n+1} - u_n = (u_n - 5) - u_n = -5$.
Comme $u_{n+1} - u_n < 0$, la suite $(u_n)$ est strictement décroissante.
2. Suite $(v_n)$ :
On calcule $v_{n+1} - v_n = (v_n + n^2 + 1) - v_n = n^2 + 1$.
Pour tout $n \in \mathbb{N}$, $n^2 \ge 0$, donc $n^2 + 1 \ge 1 > 0$.
Comme $v_{n+1} - v_n > 0$, la suite $(v_n)$ est strictement croissante.
3. Suite $(w_n)$ :
On calcule $w_{n+1} - w_n = (w_n - n^2 + n - 1) - w_n = -n^2 + n - 1$.
On étudie le signe du polynôme $P(n) = -n^2 + n - 1$.
Discriminant : $\Delta = 1^2 - 4(-1)(-1) = 1 - 4 = -3$.
Puisque $\Delta < 0$ et $a = -1 < 0$, le trinôme est strictement négatif pour tout $n \in \mathbb{R}$.
Ainsi, $w_{n+1} - w_n < 0$ pour tout $n$. La suite $(w_n)$ est strictement décroissante.
4. Suite $(x_n)$ :
On calcule $x_{n+1} - x_n = \left(x_n + \dfrac{1}{n+1}\right) - x_n = \dfrac{1}{n+1}$.
Pour tout $n \in \mathbb{N}$, on a $n+1 \ge 1 > 0$, donc $\dfrac{1}{n+1} > 0$.
Puisque $x_{n+1} - x_n > 0$, la suite $(x_n)$ est strictement croissante.
5. Suite $(y_n)$ :
On calcule $y_{n+1} - y_n = (y_n - 2^n) - y_n = -2^n$.
Pour tout $n \in \mathbb{N}$, on a $2^n > 0$, donc $-2^n < 0$.
Puisque $y_{n+1} - y_n < 0$, la suite $(y_n)$ est strictement décroissante.
Exercice 3 : Conjectures de limites à la calculatrice
À l'aide de votre calculatrice, calculer $u_{10}$, $u_{100}$ et $u_{1000}$ pour les suites suivantes. Conjecturer la limite de chaque suite quand $n \to +\infty$.
- $(u_n)$ : $u_n = \dfrac{4n^2 - 5n}{2n^2 + 1}$
- $(v_n)$ : $v_n = 100 - (0.9)^n$
- $(w_n)$ : $w_n = n^3 - 50n^2$
- $(z_n)$ : $\begin{cases} z_0 = 50 \\ \forall n \in \mathbb{N}, z_{n+1} = 0.5z_n + 10 \end{cases}$
- $(t_n)$ : $t_n = \dfrac{(-1)^n}{n}$ (pour $n \ge 1$)
Corrigé :
1. Suite $(u_n)$ :
- $u_{10} \approx 1.74$
- $u_{100} \approx 1.97$
- $u_{1000} \approx 1.997$
Conjecture : La limite de la suite semble être $2$.
2. Suite $(v_n)$ :
- $v_{10} \approx 96.51$
- $v_{100} \approx 99.997$
Conjecture : La limite de la suite semble être $100$.
3. Suite $(w_n)$ :
- $w_{10} = -4000$
- $w_{100} = 500000$
- $w_{1000} = 9.5 \times 10^8$
Conjecture : La limite de la suite semble être $+\infty$.
4. Suite $(z_n)$ :
- $z_{10} \approx 20.029$
- $z_{100} \approx 20.000$
Conjecture : La limite de la suite semble être $20$.
5. Suite $(t_n)$ :
- $t_{10} = 0.1$
- $t_{100} = 0.01$
- $t_{1000} = 0.001$
Conjecture : La limite de la suite semble être $0$.
Exercice 4 : Représentation graphique
Construire la représentation graphique des 5 premiers termes (de $n=0$ à $n=4$) des suites suivantes dans un repère :
- $u_n = -0.5n + 3$
- $v_n = n^2 - 4n + 3$
- $w_n = 2^n - 5$
- $\begin{cases} x_0 = -2 \\ x_{n+1} = x_n + 1.5 \end{cases}$
- $y_n = \dfrac{12}{n+1}$
Corrigé :
1. Suite $(u_n)$ :
Les termes sont : $3$, $2.5$, $2$, $1.5$ et $1$.
Les points $A_n(n ; u_n)$ sont alignés sur la droite d'équation $y = -0.5x + 3$.
2. Suite $(v_n)$ :
Les termes sont : $3$, $0$, $-1$, $0$ et $3$.
Les points $B_n(n ; v_n)$ sont placés sur une parabole d'équation $y = x^2 - 4x + 3$.
3. Suite $(w_n)$ :
Les termes sont : $-4$, $-3$, $-1$, $3$ et $11$.
Les points $C_n(n ; w_n)$ croissent très rapidement de façon exponentielle.
4. Suite $(x_n)$ :
Les termes sont : $-2$, $-0.5$, $1$, $2.5$ et $4$.
Il s'agit d'une suite arithmétique de raison $1.5$. Les points $D_n(n ; x_n)$ sont alignés sur la droite d'équation $y = 1.5x - 2$.
5. Suite $(y_n)$ :
Les termes sont : $12$, $6$, $4$, $3$ et $2.4$.
Les points $E_n(n ; y_n)$ sont situés sur la courbe de la fonction $x \mapsto \dfrac{12}{x+1}$.
Exercice 5 : Algorithmique (Python)
On considère la fonction Python suivante :
def terme_suite(n):
u = 5
for i in range(n):
u = 2 * u - 3
return u
- Quelle est la valeur renvoyée par l'appel
terme_suite(3)? Détailler les étapes de la boucle. - Que calcule cette fonction de manière générale ?
- Modifier le code de cette fonction pour qu'elle ne renvoie plus uniquement le dernier terme, mais la liste de tous les termes calculés de l'indice 0 jusqu'à l'indice $n$.
Corrigé :
1. Appel de terme_suite(3) :
Initialisation : $u = 5$. La boucle tourne 3 fois (pour $i = 0$, $1$ et $2$).
- $i=0$ (1er passage) : $u \gets 2 \times 5 - 3 = 7$
- $i=1$ (2ème passage) : $u \gets 2 \times 7 - 3 = 11$
- $i=2$ (3ème passage) : $u \gets 2 \times 11 - 3 = 19$
La valeur renvoyée est 19.
2. Ce que calcule la fonction :
Cette fonction calcule le terme de rang $n$ (soit $u_n$) de la suite définie par récurrence par :
$\begin{cases} u_0 = 5 \\ u_{n+1} = 2u_n - 3 \end{cases}$
3. Modification de la fonction :
Pour stocker tous les termes, on utilise une liste (qu'on initialise avec le premier terme $u_0 = 5$) et on ajoute les éléments avec la méthode append() :
def liste_termes(n):
u = 5
liste = [u]
for i in range(n):
u = 2 * u - 3
liste.append(u)
return liste