Suites arithmético-géométriques

I - Les suites arithmético-géométriques

Définition 1 : On appelle suite arithmético-géométrique une suite définie par son premier terme et la relation : $\forall n \in \mathbb{N},\ u_{n+1} = a\,u_n + b$ ($a, b \in \mathbb{R}$).
Propriété 1 : Soit $u_{n+1} = a\,u_n + b$ avec $a \neq 1$, $b \neq 0$, et $\ell$ le réel tel que $\ell = a\ell + b$. La suite $(v_n)$ définie par $v_n = u_n - \ell$ est géométrique de raison $a$.

Méthode : terme général d'une suite arithmético-géométrique

$u_0 = 3$ et $u_{n+1} = 2u_n + 1$ ($a = 2$, $b = 1$).

1 - $\ell = 2\ell + 1 \iff \ell = -1$ ; on pose $v_n = u_n + 1$.

2 - $v_{n+1} = u_{n+1} + 1 = 2u_n + 2 = 2(u_n + 1) = 2v_n$ : $(v_n)$ est géométrique de raison $2$.

3 - $v_0 = u_0 + 1 = 4$ donc $v_n = 4 \times 2^n$.

4 - $u_n = v_n - 1 = 4 \times 2^n - 1$.

II - Limite d'une suite arithmético-géométrique

Propriété 2 : Soit $u_{n+1} = a\,u_n + b$ avec $a \neq 1$ et $\ell = \dfrac{b}{1 - a}$. Alors, pour tout $n \in \mathbb{N}$, $u_n = (u_0 - \ell)\,a^n + \ell$.
  • Si $0 < a < 1$, alors $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = \ell$ : la suite converge vers $\ell$.
  • Si $a > 1$ et $u_0 \neq \ell$, alors la suite tend vers $+\infty$ si $u_0 > \ell$ et vers $-\infty$ si $u_0 < \ell$.

Exemple

$u_0 = 3$ et $u_{n+1} = 2u_n + 1$ : on a trouvé $u_n = 4 \times 2^n - 1$. Comme $2 > 1$ et $4 > 0$, $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = +\infty$.

$v_0 = 1$ et $v_{n+1} = 0{,}5\,v_n + 2$ : $\ell = \dfrac{2}{1 - 0{,}5} = 4$ et $v_n = -3 \times 0{,}5^n + 4$. Comme $0 < 0{,}5 < 1$, $\lim\limits_{n \to +\infty} v_n = 4$.

III - Algorithme de seuil

Pour déterminer le premier rang $n$ à partir duquel $u_n$ dépasse (ou passe sous) une valeur donnée, on calcule les termes successifs à l'aide d'une boucle « tant que ».

Programme en Python : premier rang tel que $v_n > 3{,}9$

v = 1
n = 0
while v <= 3.9:
    v = 0.5 * v + 2
    n = n + 1
print(n)

Le programme affiche $5$ : en effet $v_4 = 3{,}8125$ et $v_5 = 3{,}90625$.