Le cours
Résumé en cinq points
- Converger vers , c'est être dans tout intervalle centré en à partir d'un certain rang. Le rang dépend de .
- Les inégalités larges passent à la limite, les strictes non. Le théorème des gendarmes donne à la fois l'existence de la limite et sa valeur.
- Toute suite croissante majorée converge. C'est la traduction directe de la propriété de la borne supérieure.
- Une suite extraite hérite de la limite, ce qui sert surtout à prouver des divergences. De toute suite bornée on peut extraire une suite convergente.
- Pour : stabilité d'un intervalle, monotonie, convergence, et seulement ensuite recherche du point fixe, avec continue en la limite.
Pourquoi ce chapitre
- Les suites sont le premier objet limite du programme : on y apprend à écrire et à manipuler des quantificateurs imbriqués.
- Tous les grands théorèmes d'analyse du reste de l'année se démontrent avec des suites, du théorème des valeurs intermédiaires jusqu'au théorème des bornes atteintes.
- Une suite sert aussi à approcher un réel, base du calcul numérique, et à modéliser un phénomène discret.
- On distingue les aspects qualitatifs (monotonie, convergence) et les aspects quantitatifs (majorations, vitesse de convergence).
- Aux concours, les suites récurrentes sont un exercice d'oral très fréquent, avec une méthode bien rodée à savoir dérouler.
1Généralités
Définition 1.1Suite réelle
Une suite réelle est une application de , ou d'une partie de formée des entiers supérieurs à , dans . On note l'image de et la suite elle-même.
Attention
Ne pas confondre la suite , qui est une application, et le terme , qui est un nombre.
Définition 1.2Suite majorée, minorée, bornée
Une suite est :
- majorée s'il existe tel que pour tout ;
- minorée si l'inégalité inverse a lieu pour un réel ;
- bornée si elle est majorée et minorée.
Une suite est bornée si et seulement si la suite des est majorée.
Définition 1.3Monotonie
Une suite est croissante si pour tout , strictement croissante si l'inégalité est stricte, et de même pour la décroissance.
- Elle est monotone si elle est croissante ou décroissante.
- Elle est stationnaire si elle est constante à partir d'un certain rang.
MéthodeÉtudier la monotonie
- Étudier le signe de .
- Si la suite est à termes strictement positifs, comparer le quotient à 1.
Trois modes de définition coexistent :
- explicite, quand est donné par une formule en ;
- par récurrence, quand s'exprime à partir des termes précédents ;
- implicite, quand est défini comme l'unique solution d'une équation dépendant de , l'existence étant justifiée par le théorème de la bijection.
Définition 1.4À partir d'un certain rang
Une propriété est vraie à partir d'un certain rang s'il existe tel qu'elle soit vraie pour tout .
Toutes les notions de limite sont insensibles à la modification d'un nombre fini de termes.
2Limite d'une suite réelle
2.1Définitions
Définition 2.1Convergence vers un réel
La suite converge vers le réel si Le programme énonce les définitions avec des inégalités larges.
À partir d'un certain rang, tous les termes sont dans l'intervalle centré en de rayon , aussi petit soit ce rayon. Le rang dépend de , et il n'y a aucune raison qu'il soit le même pour tous les .
Définition 2.2Limite infinie
La suite tend vers si La définition est symétrique pour .
Une suite est convergente si elle admet une limite finie, divergente sinon. Une suite qui tend vers est divergente. Une suite peut aussi diverger sans avoir de limite, comme .
2.2Premiers résultats
Théorème 2.3Unicité de la limite
Une suite admet au plus une limite, ce qui autorise la notation .
Démonstration
Par l'absurde, supposons deux limites distinctes et . On prend plus petit que la moitié de , ce qui rend les deux intervalles disjoints.
Propriété 2.4Suite convergente et bornée
Toute suite convergente est bornée.
Attention
La réciproque est fausse : est bornée et divergente.
2.3Opérations
Propriété 2.5Opérations sur les limites
Hypothèses
- tend vers et vers , avec et réels.
Alors :
- tend vers ;
- tend vers ;
- si , le quotient est défini à partir d'un certain rang et tend vers .
Ces règles s'étendent partiellement aux limites infinies, avec quatre formes indéterminées :
- ;
- ;
- ;
- .
Devant une forme indéterminée, il faut transformer l'expression : factorisation du terme dominant, quantité conjuguée, ou plus tard développement limité.
Propriété 2.6Suite bornée fois suite de limite nulle
Le produit d'une suite bornée par une suite de limite nulle tend vers 0.
Exemple 2.7
La suite tend vers 0, bien que n'ait pas de limite.
2.4Limites et inégalités
Propriété 2.8Passage à la limite
Hypothèses
- à partir d'un certain rang ;
- les deux suites convergent.
Alors .
Attention
Les inégalités strictes ne passent pas à la limite : de pour tout , on ne peut conclure qu'à une limite positive au sens large, et elle vaut 0.
Propriété 2.9Signe d'une limite strictement positive
Si converge vers , alors à partir d'un certain rang.
Démonstration
On prend dans la définition.
Théorème 2.10Théorème d'encadrement
Hypothèses
- à partir d'un certain rang ;
- et convergent vers la même limite .
Alors converge et sa limite est .
La convergence de fait partie de la conclusion, elle n'est pas supposée.
Théorème 2.11Théorèmes de divergence
Si à partir d'un certain rang et si tend vers , alors tend vers . L'énoncé est symétrique pour , avec une majoration.
3Suites monotones
Théorème 3.1Théorème de la limite monotone
Toute suite monotone admet une limite dans . Plus précisément :
- toute suite croissante majorée converge, et sa limite est la borne supérieure de l'ensemble de ses termes ;
- toute suite croissante non majorée tend vers .
Les énoncés sont symétriques pour les suites décroissantes.
Démonstration
Cas croissant majoré. L'ensemble des valeurs de la suite est non vide et majoré, donc admet une borne supérieure . Soit . Par caractérisation de la borne supérieure, il existe un rang tel que . Par croissance, pour on a , donc .
C'est l'application la plus importante de la propriété de la borne supérieure.
Attention
Ce théorème donne la convergence, pas la valeur de la limite. Une suite croissante majorée par converge vers une limite inférieure ou égale à , pas nécessairement égale à .
Définition 3.2Suites adjacentes
Deux suites et sont adjacentes si :
- l'une est croissante et l'autre décroissante ;
- tend vers 0.
Théorème 3.3Théorème des suites adjacentes
Deux suites adjacentes convergent vers une même limite , et pour tout on a .
C'est l'outil des encadrements emboîtés, et il fournit une majoration de l'erreur, à savoir .
4Suites extraites
Définition 4.1Suite extraite
Une suite extraite, ou sous-suite, de est une suite de la forme où est une application strictement croissante de dans .
On démontre par récurrence que . Exemples : , , .
Propriété 4.2Limite d'une suite extraite
Si admet une limite, finie ou infinie, alors toute suite extraite admet la même limite.
On l'utilise surtout par contraposée, pour prouver une divergence : si deux suites extraites ont des limites différentes, la suite diverge. La suite en est l'exemple type, ses termes pairs valant 1 et ses termes impairs .
Propriété 4.3Réciproque partielle
Si et convergent vers la même limite , alors converge vers .
Attention
Il faut bien la même limite, et il faut que les deux extractions recouvrent tous les indices.
Théorème 4.4Théorème de Bolzano-Weierstrass
De toute suite réelle bornée on peut extraire une suite convergente.
Le principe de la démonstration, par dichotomie, est exigible :
- on enferme la suite dans un segment ;
- on le coupe en deux et on garde une moitié qui contient une infinité de termes ;
- on recommence ;
- les extrémités des segments obtenus forment deux suites adjacentes, et l'on extrait un terme de la suite dans chaque segment.
La formalisation précise n'est pas exigible.
5Traduction séquentielle
Définition 5.1Partie dense
Une partie de est dense dans si elle rencontre tout intervalle ouvert non vide.
Propriété 5.2Caractérisation séquentielle de la densité
est dense dans si et seulement si tout réel est limite d'une suite d'éléments de .
Par exemple, tout réel est limite d'une suite de rationnels, et aussi d'une suite d'irrationnels. Les approximations décimales fournissent une telle suite de manière explicite.
Propriété 5.3Suites et borne supérieure
- Si est une partie non vide et majorée de , il existe une suite d'éléments de qui converge vers .
- Si est non vide et non majorée, il existe une suite d'éléments de qui tend vers .
La construction se fait en appliquant la caractérisation de la borne supérieure avec .
6Suites complexes
Les définitions se transposent en remplaçant la valeur absolue par le module.
Définition 6.1Suite complexe convergente
Une suite complexe converge vers si, pour tout , on a à partir d'un certain rang. Elle est bornée si la suite des modules est majorée.
Propriété 6.2Parties réelle et imaginaire
converge vers si et seulement si converge vers et converge vers .
Cette équivalence ramène toute question sur les suites complexes à deux questions sur des suites réelles.
Les opérations sur les limites restent valables. En revanche, tout ce qui utilise l'ordre disparaît :
- pas de monotonie ;
- pas de théorème d'encadrement ;
- pas de limite infinie de la forme .
On peut toutefois écrire que le module tend vers .
Théorème 6.3Bolzano-Weierstrass complexe
De toute suite complexe bornée on peut extraire une suite convergente.
Sa démonstration n'est pas exigible : elle s'obtient en appliquant deux fois le cas réel, d'abord aux parties réelles, puis aux parties imaginaires de la suite déjà extraite.
7Suites particulières
7.1Arithmétiques et géométriques
Propriété 7.1Suite arithmétique
Une suite arithmétique de raison vérifie , d'où . Elle converge seulement si .
Propriété 7.2Suite géométrique
Une suite géométrique de raison vérifie , d'où .
Pour réel :
- si , tend vers 0 ;
- si , la suite est constante égale à 1 ;
- si , elle tend vers ;
- si , elle diverge sans limite.
Pour complexe, tend vers 0 si et seulement si .
7.2Suites arithmético-géométriques
Elles vérifient avec .
MéthodeSuite arithmético-géométrique
- Chercher le point fixe solution de , soit .
- Poser : on obtient , donc est géométrique.
- Conclure : .
La suite converge vers si et seulement si , ou si .
7.3Récurrences linéaires d'ordre 2
Elles vérifient , avec . On introduit l'équation caractéristique .
Théorème 7.3Cas complexe
Hypothèses
- vérifie , avec .
Alors :
- si l'équation caractéristique a deux racines distinctes et , ;
- si elle a une racine double , .
Les constantes et sont déterminées par et , ce qui donne un système linéaire de deux équations.
Propriété 7.4Cas réel
Hypothèses
- et sont réels et la suite est réelle ;
- le discriminant est strictement négatif.
Alors les racines sont conjuguées, de la forme et , et les solutions réelles sont
Exemple 7.5Fibonacci
La suite de Fibonacci vérifie . L'équation caractéristique a pour racines le nombre d'or et .
7.4Suites définies par
C'est le cas le plus fréquent en exercice.
MéthodeÉtudier
- Trouver un intervalle stable par , c'est-à-dire tel que , et contenant . On montre par récurrence que tous les termes sont dans . Cette étape est indispensable, ne serait-ce que pour que la suite soit bien définie.
- Étudier la monotonie. Si est croissante sur , la suite est monotone, et son sens est donné par le signe de . Si est décroissante, la suite n'est pas monotone en général, mais et sont monotones, de sens contraires, car elles sont associées à qui est croissante.
- Conclure à la convergence par le théorème de la limite monotone, en utilisant les bornes de .
- Identifier la limite : on résout , puis on écarte les racines incompatibles avec l'intervalle de travail.
Propriété 7.6Limite et point fixe
Hypothèses
- converge vers ;
- est continue en .
Alors : la limite est un point fixe de .
Attention
Chercher la limite avant d'avoir prouvé la convergence est une erreur classique. L'équation peut avoir des solutions même quand la suite diverge. L'étape 4 ne dispense jamais des étapes 1 à 3.
Un graphique en escalier ou en escargot, obtenu en traçant la courbe de et la première bissectrice, permet de conjecturer le comportement avant de le démontrer.
Méthodes
MéthodeRéflexes du chapitre
- Pour montrer qu'une suite converge sans connaître sa limite : monotonie et bornitude, ou suites adjacentes, ou encadrement.
- Pour montrer qu'une suite diverge : exhiber deux extractions de limites différentes, ou montrer qu'elle n'est pas bornée.
- Pour une forme indéterminée : factoriser le terme dominant, utiliser la quantité conjuguée pour une différence de racines, ou les croissances comparées.
- Pour majorer l'écart à la limite : chercher une inégalité avec , puis conclure par récurrence que . C'est la méthode de la vitesse géométrique.
- Pour une suite définie implicitement : utiliser le théorème de la bijection pour définir , puis la monotonie pour l'étudier.
- Toujours vérifier qu'une suite récurrente est bien définie avant de l'étudier.
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Écrire avec des quantificateurs la définition de la convergence, et sa négation.
- Démontrer l'unicité de la limite et le fait que toute suite convergente est bornée.
- Démontrer le théorème d'encadrement à partir de la définition.
- Démontrer le théorème de la limite monotone dans le cas croissant majoré, en utilisant la borne supérieure.
- Énoncer le théorème des suites adjacentes et l'appliquer à un encadrement.
- Prouver qu'une suite diverge à l'aide de suites extraites, et énoncer le principe de la démonstration de Bolzano-Weierstrass.
- Résoudre une récurrence arithmético-géométrique et une récurrence linéaire d'ordre 2, y compris dans le cas de racines complexes.
- Mener l'étude complète d'une suite définie par : stabilité, monotonie, convergence, point fixe.
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- Unicité de la limite, finie ou infinie : exigible avec démonstration.
- Toute suite convergente est bornée : exigible avec démonstration. La réciproque est fausse.
- Opérations sur les limites (combinaison linéaire, produit, quotient si la limite du dénominateur est non nulle) : exigible. La preuve du produit est à connaître.
- Une suite bornée multipliée par une suite de limite nulle donne une suite de limite nulle : exigible avec démonstration.
- Passage à la limite d'une inégalité large, les deux suites étant supposées convergentes : exigible avec démonstration.
- Si un tend vers l > 0, alors un > 0 à partir d'un certain rang : exigible avec démonstration.
- Existence d'une limite par encadrement (limite finie), par minoration (+∞), par majoration (−∞), ou par |un − l| ≤ vn avec vn de limite nulle : exigible avec démonstration.
- Théorème de la limite monotone : exigible avec démonstration, par la borne supérieure.
- Théorème des suites adjacentes : exigible avec démonstration.
- Toute suite extraite d'une suite qui a une limite a la même limite. Si (u2n) et (u2n+1) tendent vers l, alors (un) tend vers l : exigible.
- Bolzano-Weierstrass réel : énoncé exigible, principe de dichotomie exigible, formalisation non exigible.
- Caractérisation séquentielle de la densité. Densité de D, de Q et de R privé de Q : exigible.
- Si X est non vide et majorée, une suite d'éléments de X tend vers sup X. Si X est non vide et non majorée, une suite d'éléments de X tend vers +∞ : exigible.
- Une suite complexe converge si et seulement si ses parties réelle et imaginaire convergent : exigible. Bolzano-Weierstrass complexe : énoncé exigible, démonstration non exigible.
- Récurrence un+1 = a un + b, avec a dans C privé de 1 et b dans C : méthode du point fixe exigible.
- Récurrences linéaires homogènes d'ordre 2 à coefficients constants : forme des solutions exigible.
- Si un+1 = f(un), si (un) tend vers l et si f est continue en l, alors f(l) = l : exigible.
- Hors programme : valeurs d'adhérence, limites supérieure et inférieure, suites de Cauchy. Le lemme de Cesàro n'est pas un théorème du cours, on le redémontre à chaque usage.
Clés de démonstration
Convergente implique bornée. Avec ε = 1, on a |un| ≤ |l| + 1 pour n ≥ N. Il reste un nombre fini de termes. Astuce : M = max(|u₀|, …, |uN−1|, |l| + 1) convient, car un nombre fini de valeurs a toujours un maximum.
Limite d'un produit. On écrit un vn − l l' = un (vn − l') + l' (un − l). Le premier terme est borné fois nul, le second tend vers 0. Astuce : ajouter et retrancher un terme croisé, et se souvenir qu'une suite convergente est bornée.
Passage à la limite d'une inégalité large. On suppose un ≤ vn et, par l'absurde, l > l'. Avec ε = (l − l')/3, pour n assez grand, vn ≤ l' + ε < l − ε ≤ un, ce qui contredit un ≤ vn. Astuce : c'est le geste de l'unicité, séparer deux intervalles disjoints.
Encadrement. Soit ε > 0. On prend N supérieur aux deux rangs fournis par (un) et (wn). Pour n ≥ N, l − ε ≤ un ≤ vn ≤ wn ≤ l + ε. Astuce : prendre le maximum des rangs.
Suites adjacentes. Si (un) croît et (vn) décroît, alors (vn − un) décroît et tend vers 0, donc elle est positive. Ainsi u₀ ≤ un ≤ vn ≤ v₀, et les deux suites monotones bornées convergent. Astuce : la différence tend vers 0, donc les limites sont égales.
Suites extraites. On montre φ(n) ≥ n par récurrence, car φ(n + 1) > φ(n) ≥ n entre entiers donne φ(n + 1) ≥ n + 1. Donc n ≥ N entraîne φ(n) ≥ N, et la définition de la limite se transmet. Astuce : une inégalité stricte entre entiers donne un décalage d'au moins 1.
Indices pairs et impairs. Si |u2p − l| ≤ ε pour p ≥ N₁ et |u2p+1 − l| ≤ ε pour p ≥ N₂, on pose N = max(2N₁, 2N₂ + 1). Tout n ≥ N s'écrit 2p ou 2p + 1 avec p assez grand. Astuce : traduire la condition sur p en condition sur n.
Suite qui tend vers sup X. Pour n ≥ 1, sup X − 1/n n'est pas un majorant, d'où xn dans X avec sup X − 1/n < xn ≤ sup X. On conclut par encadrement. Astuce : ε = 1/n transforme une caractérisation en suite. La densité séquentielle se prouve de même avec ]x − 1/n, x + 1/n[.
Suites complexes. On utilise |Re z| ≤ |z|, |Im z| ≤ |z| et |z| ≤ |Re z| + |Im z|. Chaque sens découle d'une majoration. Astuce : l'inégalité triangulaire dans les deux sens.
Limite point fixe. Si un tend vers l, alors un+1 aussi, et f(un) tend vers f(l) par continuité en l. L'unicité de la limite donne f(l) = l. Astuce : la suite décalée est une suite extraite.
Récurrence d'ordre 2. Deux solutions qui ont les mêmes deux premiers termes sont égales, par récurrence double. Il suffit donc d'ajuster λ et μ sur u₀ et u₁. Astuce : le système est inversible car r₁ ≠ r₂, ou car r ≠ 0 dans le cas d'une racine double (b non nul).
Exemples et contre-exemples à connaître
- La suite des (−1)n : bornée, divergente, avec des extraits pair et impair de limites distinctes. C'est le contre-exemple universel.
- La suite des 1/n : termes strictement positifs, limite nulle. Une inégalité stricte devient large à la limite.
- La suite harmonique Hn : Hn+1 − Hn tend vers 0, mais Hn tend vers +∞. Des pas qui tendent vers 0 ne garantissent pas la convergence.
- La suite des √n : elle diverge alors que √(n + 1) − √n tend vers 0. Même phénomène, avec un calcul explicite.
- La suite des sin(n)/n : borné fois nul. On ne sait pas étudier sin(n) seul, et on n'en a pas besoin.
- (1 + 1/n)n tend vers e : « 1 puissance infini » est indéterminé. On passe par exp(n ln(1 + 1/n)).
- un+1 = u_n² avec u₀ = 2 : les points fixes sont 0 et 1, et pourtant la suite tend vers +∞. Un point fixe n'est pas une limite.
- un+1 = 1 − un avec u₀ = 0 : la suite vaut 0, 1, 0, 1… Les deux extraits convergent vers des limites différentes.
- La suite des in : de module constant 1, elle diverge, car i4n = 1 et i4n+1 = i.
- un = Σ 1/k! pour k de 0 à n et vn = un + 1/(n·n!) : deux suites adjacentes qui encadrent e avec une erreur connue.
Techniques du chapitre
Technique 1 : majorer l'écart à la limite. un = (n + cos n)/(n + 1). On devine 1. Alors |un − 1| = |cos n − 1|/(n + 1) ≤ 2/(n + 1), qui tend vers 0. Donc un tend vers 1.
Technique 2 : quantité conjuguée. √(n + 1) − √n = 1/(√(n + 1) + √n). Le dénominateur tend vers +∞, donc la différence tend vers 0.
Technique 3 : encadrer une somme terme à terme. Sn = Σ n/(n² + k) pour k de 1 à n. Chacun des n termes est entre n/(n² + n) et n/(n² + 1). Donc n²/(n² + n) ≤ Sn ≤ n²/(n² + 1), et Sn tend vers 1.
Technique 4 : deux extraits pour une divergence. un = cos(nπ/3). On a u6n = 1 et u6n+3 = cos(2nπ + π) = −1. Deux limites distinctes, donc (un) diverge.
Technique 5 : signe de f(x) − x et absurde sur la limite. u₀ réel et un+1 = un + e−un. Ici f(x) − x = e−x > 0, donc la suite croît. Une limite finie l vérifierait e−l = 0, impossible. Croissante et divergente, elle tend vers +∞.
Technique 6 : vitesse géométrique. u₀ = 0 et un+1 = √(2 + un). Les termes sont positifs et le point fixe est 2. Par conjugaison, |un+1 − 2| = |un − 2|/(√(2 + un) + 2) ≤ |un − 2|/2. Donc |un − 2| ≤ 2/2n.
Technique 7 : racines complexes conjuguées. u₀ = 0, u₁ = 1, un+2 = un+1 − un. Les racines de r² − r + 1 = 0 sont e±iπ/3, donc un = λ cos(nπ/3) + μ sin(nπ/3). On trouve λ = 0 et μ = 2/√3. La suite est 6-périodique.
Technique 8 : arithmético-géométrique complexe. zn+1 = a zn + 1 avec a = (1 + i)/2. Le point fixe vaut 1/(1 − a) = 2/(1 − i) = 1 + i, donc zn = 1 + i + (z₀ − 1 − i) an. Comme |a| = √2/2 < 1, zn tend vers 1 + i.
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Deux formes indéterminées
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
Limites de an = √(n² + 3n) − n, et de bn = (n + (−1)n)/(n − (−1)n) pour n ≥ 2.
Technique conjugaison, puis factorisation du terme dominant.
Voir le corrigé
- an = 3n/(√(n² + 3n) + n) = 3/(√(1 + 3/n) + 1), qui tend vers 3/2.
- bn = (1 + (−1)n/n)/(1 − (−1)n/n). Or (−1)n/n est borné fois nul, donc tend vers 0.
- Donc bn tend vers 1.
piège : Écrire « √(n² + 3n) équivaut à n, donc an tend vers 0 ». On ne soustrait pas des équivalents.
Exercice 2. Divergence de la suite harmonique
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
Hn = Σ 1/k pour k de 1 à n. Montrer que H2n − Hn ≥ 1/2, puis que Hn tend vers +∞.
Technique extraction et limite monotone.
Voir le corrigé
- H2n − Hn compte n termes, tous au moins égaux à 1/(2n). Elle vaut donc au moins 1/2.
- Si (Hn) convergeait vers l, l'extrait (H2n) aussi, et H2n − Hn tendrait vers 0.
- Le passage à la limite donnerait 0 ≥ 1/2. Contradiction.
- (Hn) est croissante et ne converge pas. Par la limite monotone, elle tend vers +∞.
piège : Oublier l'étape 4 : une suite divergente n'a pas forcément une limite infinie. C'est la croissance qui la donne.
Exercice 3. Moyennes de Cesàro
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
(un)n≥1 converge vers un réel l et mn = (u₁ + … + un)/n. Montrer que mn tend vers l. Étudier la réciproque.
Technique couper la somme au rang N.
Voir le corrigé
- En remplaçant un par un − l, on se ramène à l = 0.
- Soit ε > 0 et N tel que |uk| ≤ ε pour k > N. On pose C = |u₁| + … + |uN|, indépendant de n.
- Pour n > N, |mn| ≤ C/n + (n − N)ε/n ≤ C/n + ε.
- Il existe N' tel que C/n ≤ ε pour n ≥ N'. Pour n ≥ max(N, N') + 1, |mn| ≤ 2ε.
- Réciproque fausse : pour un = (−1)n, |mn| ≤ 1/n, donc mn tend vers 0 alors que (un) diverge.
piège : Choisir N en fonction de n. N dépend de ε seulement, sinon C n'est pas une constante.
Exercice 4. Fibonacci et nombre d'or
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
F₀ = 0, F₁ = 1, Fn+2 = Fn+1 + Fn. Exprimer Fn, puis trouver la limite de Fn+1/Fn.
Technique équation caractéristique, puis terme dominant.
Voir le corrigé
- r² = r + 1 a deux racines distinctes φ = (1 + √5)/2 et ψ = (1 − √5)/2. Donc Fn = λ φn + μ ψn.
- F₀ = 0 donne μ = −λ, F₁ = 1 donne λ√5 = 1. Donc Fn = (φn − ψn)/√5.
- Par récurrence double, Fn ≥ 1 pour n ≥ 1, donc le quotient est défini.
- Avec q = ψ/φ, on a Fn+1/Fn = φ(1 − qn+1)/(1 − qn).
- |ψ| ≈ 0,618 < 1 < φ, donc |q| < 1 et le quotient tend vers φ.
piège : Factoriser par ψn, qui tend vers 0, au lieu du terme dominant φn.
Exercice 5. Suites adjacentes et irrationalité
Classiques de khôlle et concours · D'après un écrit CCINP MP
Pour n ≥ 1, un = Σ 1/k! pour k de 0 à n et vn = un + 1/(n·n!). Montrer qu'elles sont adjacentes, puis que leur limite ℓ est irrationnelle.
Technique adjacence, puis encadrement strict multiplié par un entier.
Voir le corrigé
- un+1 − un = 1/(n + 1)! > 0 : (un) est strictement croissante.
- Sur le dénominateur commun n(n + 1)(n + 1)!, vn+1 − vn a pour numérateur n(n + 1) + n − (n + 1)² = −1. Donc (vn) est strictement décroissante.
- vn − un = 1/(n·n!) tend vers 0 : les suites sont adjacentes.
- Par stricte monotonie, uq < ℓ < vq pour tout q ≥ 1.
- Si ℓ = p/q avec p, q entiers et q ≥ 1, on multiplie par q·q!. L'entier A = q·q!·uq vérifie A < p·q! < A + 1.
- Un entier strictement entre deux entiers consécutifs, c'est impossible. On verra plus tard que ℓ = e.
piège : Écrire uq ≤ ℓ ≤ vq avec des inégalités larges. Sans le strict, pas de contradiction.
Exercice 6. Discussion selon u₀
Classiques de khôlle et concours · D'après un écrit CCINP MP
u₀ réel, un+1 = (u_n² + 1)/2. Étudier la convergence selon u₀.
Technique signe de f(x) − x, intervalle stable, absurde sur la limite.
Voir le corrigé
- un+1 − un = (un − 1)²/2 ≥ 0 : la suite croît, quel que soit u₀.
- f(x) = x équivaut à (x − 1)² = 0 : le seul point fixe est 1.
- Si |u₀| ≤ 1, alors u₁ est dans [1/2, 1]. Comme f([0, 1]) = [1/2, 1], l'intervalle [0, 1] est stable, donc un ≤ 1 pour n ≥ 1. Croissante majorée, la suite converge, et f continue donne la limite 1.
- Si |u₀| > 1, alors u₁ > 1. Une limite finie vaudrait 1, mais la croissance impose une limite au moins égale à u₁ > 1. Contradiction.
- Croissante non convergente, la suite tend alors vers +∞.
piège : Déclarer f croissante sur R, alors qu'elle ne l'est que sur [0, +∞[. Le signe de f(x) − x évite ce piège.
Exercice 7. Une fonction décroissante
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP
u₀ = 0 et un+1 = 1/(1 + un). Montrer que (un) converge et donner sa limite.
Technique extraits pair et impair via f∘f.
Voir le corrigé
- f(x) = 1/(1 + x) envoie [0, 1] dans [1/2, 1] : [0, 1] est stable et contient tous les termes.
- g = f∘f vérifie g(x) = (1 + x)/(2 + x) = 1 − 1/(2 + x), croissante sur [0, 1].
- un+2 = g(un). Comme u₀ = 0 < u₂ = 1/2, (u2n) croît. Comme u₁ = 1 > u₃ = 2/3, (u2n+1) décroît.
- Monotones et bornés, les deux extraits convergent, vers des points fixes de g dans [0, 1] car g est continue.
- g(x) = x équivaut à x² + x − 1 = 0, de seule racine dans [0, 1] α = (√5 − 1)/2.
- Les deux extraits tendent vers α, donc (un) aussi.
piège : Supposer que g a les mêmes points fixes que f sans le vérifier. En général g peut en avoir davantage.
Exercice 8. Suite définie implicitement
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit e3a
Pour n ≥ 1, montrer que xn + x = 1 a une unique solution xn dans [0, 1]. Étudier la monotonie et la limite de (xn).
Technique théorème de la bijection, puis comparaison de fn et fn+1.
Voir le corrigé
- fn(x) = xn + x − 1 est continue, strictement croissante sur [0, 1], avec fn(0) = −1 et fn(1) = 1. La bijection fournit un unique xn, dans ]0, 1[.
- fn+1(xn) = xnn+1 − xnn = xnn(xn − 1) < 0 = fn+1(xn+1).
- Par stricte croissance de fn+1, xn < xn+1.
- Croissante et majorée par 1, (xn) converge vers l ≤ 1.
- Si l < 1, alors 0 < xnn ≤ ln, qui tend vers 0. Donc xn = 1 − xnn tend vers 1, contradiction. Donc l = 1.
piège : Dire que xnn tend vers ln. Base et exposant varient ensemble, c'est une forme indéterminée.
Exercice 9. Vitesse de convergence vers 0
Approfondissement · D'après un écrit Mines-Ponts
u₀ dans ]0, 1[ et un+1 = un − u_n². Montrer que un tend vers 0, puis que n un tend vers 1.
Technique étude standard, puis Cesàro sur une suite bien choisie.
Voir le corrigé
- f(x) = x − x² envoie ]0, 1[ dans ]0, 1/4] : tous les termes sont dans ]0, 1[.
- un+1 − un = −u_n² < 0. Décroissante minorée par 0, la suite converge vers l avec l = l − l², donc l = 0.
- 1/un+1 − 1/un = u_n²/(u_n²(1 − un)) = 1/(1 − un), qui tend vers 1.
- Par l'exercice 3, la moyenne des n premiers de ces écarts tend vers 1. Par télescopage, elle vaut (1/un − 1/u₀)/n.
- Donc 1/(n un) tend vers 1, et n un aussi.
piège : Chercher un télescopage sur un. C'est 1/un qui a des pas asymptotiquement constants.
Exercice 10. Une seule limite pour les extraits
Approfondissement · Type oral Centrale
(un) est une suite réelle bornée dont toute suite extraite convergente a pour limite l. Montrer que (un) tend vers l.
Technique négation de la convergence, extraction, Bolzano-Weierstrass.
Voir le corrigé
- Par l'absurde, il existe ε > 0 tel que pour tout N, il existe n ≥ N avec |un − l| > ε.
- On prend φ(0) un tel n pour N = 0, puis φ(k + 1) un tel n pour N = φ(k) + 1. Ainsi φ est strictement croissante et |uφ(k) − l| > ε.
- (uφ(k)) est bornée. Bolzano-Weierstrass en extrait (uφ(ψ(k))) convergeant vers un réel l'.
- Le passage à la limite donne |l' − l| ≥ ε.
- Or φ∘ψ est strictement croissante, donc l' = l par hypothèse. Contradiction.
piège : Oublier « bornée ». Pour un = n si n est pair et 0 sinon, tout extrait convergent tend vers 0, et la suite diverge.
Erreurs fréquentes
- Résoudre f(l) = l avant d'avoir prouvé la convergence, ou sans vérifier la continuité de f en l. Une limite devinée ne rapporte rien.
- Oublier de montrer qu'une suite récurrente est bien définie : un dans le domaine de f, dénominateur non nul.
- Passer à la limite dans une inégalité stricte, ou avant de savoir que les suites convergent. On obtient une inégalité large, et seulement pour des suites convergentes.
- Conclure « croissante majorée par M, donc tend vers M ». La limite est inférieure ou égale à M, rien de plus.
- Appliquer aux suites complexes des outils qui utilisent l'ordre : monotonie, encadrement, limite +∞. On passe par le module ou par les parties réelle et imaginaire.
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de MPSI (2021), partie « Nombres réels et suites numériques », paragraphes « Généralités sur les suites réelles », « Limite d'une suite réelle », « Suites monotones », « Suites extraites », « Traduction séquentielle de certaines propriétés », « Suites complexes » et « Suites particulières ». La notion de valeur d'adhérence est hors programme.