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Suites num´ eriques r´ eelles

Fonctions et suites num´eriques r´eelles

2.2 Suites num´ eriques r´ eelles

Apr`es quelques g´en´eralit´es sur les suites, on ´etudie la notion de suite convergente. Comme exemple de suites convergentes, on ´etudie les suites monotones, adjacentes. On pr´esente ensuite les suites tendant vers l’infini, cas particulier des suites divergentes non born´ees. Enfin, on ´etudiera les suites r´ecurrentes lin´eaires et on pr´esentera des m´ethodes succinte pour les r´esoudre.

D´efinition. Une suite r´eelle, ou tout simplement suite, est une fonction N→ R qui `a n∈ N associe un∈ R. On note une telle suite par (un)n∈N ou tout simplement (un).

Le terme un est dit terme g´en´eral.

Intuitivement, une suite est une collection finie ou infinie de nombres r´eels, donn´es dans un certain Ordre. Elle peut ˆetre d´efinie explicitement par une formule ou implicitement par r´ecurrence. D’autre part, on peut la repr´esenter graphiquement :

n un O u0 u1 u2 1 Cf f (x) = x 2 x + 1+ 1 2

Exemple 2.2.1 Consid´erons la suite (un) graphe d’une suite un = f(n)

dont le terme g´en´eral est d´efini par un =

f (n) o`u la fonction f est d´efinie par f (x) = x2

x + 1 + 1 :

On trace la courbe de f sur [0, +∞[;

On place u0 sur l’axe des ordonn´ees;

On place u1 = f (1) image de 1 par f ;

On place u2 = f (2) image de 2 par f ;

On r´eit`ere la m´ethode de construction pour placer les autres termes sur l’axe des ordonn´ees.

Exemple 2.2.2 un = 1 n et un = n sin  1 n 

pour n ≥ 1. La suite de terme g´en´eral un = (−1)n est une suite dont tous les termes d’indice paire sont ´egaux `a 1 et les termes

d’indice impair sont tous ´egaux `a −1.

Exemple 2.2.3 Elle est d´efinie par la r´ecurrence suivante

Suites arithm´etiques

un+1 = un+ r

o`u r ∈ R est la raison de la suite. Par r´ecurrence, on montre que

un= u0 + nr.

En effet, on a u1 = u0+ r, u2 = u1+ r,· · · , un = un−1+ r. En ajoutant, ces expressions

et en ´eliminant les termes ´egaux des deux membres, on obtient le terme g´en´erale un en

fonction du terme initial u0 et r. D’autre part, on d´efinie la suite {sn}n∈N des suites

partielles dont le terme g´en´eral est d´efini par sn = u0+ u1+· · · + un. Calculons en les

premiers termes :

s0 = u0

s2 = u0+ u1+ u2 = 3u0+ 2r

Quant au terme g´en´eral, il s’´ecrit

sn= u0+ u1+· · · + un= (n + 1)u0+ (1 + 2 +· · · + n)

Par r´ecurrence, on montre que

1 + 2 + · · · + n = n(n + 1) 2 . D’o`u sn = (n + 1)u0 + r n(n + 1) 2 .

Exemple 2.2.4 Elle est d´efinie par

Suites g´eom´etriques

un+1 = qun

o`u q∈ R est la raison de la suite. Mais, u1 = qu0, u2 = qu1, · · · , un = qun−1. Puisque les

termes de la suite sont non nuls, on peut mulitplier ces expressions terme `a terme et en divisant, on obtient l’expression de un en fonction de q, u0 et n :

un = qnu0.

Pour la somme sn, calculons en les premiers termes : s0 = u0, s1 = u0 + u1 = u0(1 + q)

et par r´ecurrence, on obtient

sn = u0(1 + q + q2 + · · · + qn) = u0.1 − q n+1

1 − q .

Suites r´ecurrentes : On peut, aussi d´efinir une suite par une relation de r´ecurrence.

Suites r´ecurrentes

En fait, on donne les premiers termes de la suite et on exprime le terme g´en´eral un en

fonction des termes qui le pr´ec`edent. Soient f une application de R dans R et a ∈ R, la suite un sera d´efinie par r´ecurrence sous la forme un+1 = f (un). On peut ´egalement

la d´efinir, en se donnant les deux termes initiaux u0 et u1 et la relation de r´ecurrence

un+1 = g(un, un−1) pour tout n ∈ N o`u g est, dans ce cas, une application de R × R

dans R.

Ainsi, les suites r´ecurrentes lin´eaires d’ordre 2) sont d´efinies par

un+1 = aun+ bun−1, a, b ∈ R

avec u0 et u1 donn´es. Par analogie avec les ´equations diff´erentielles et par unicit´e de

la solution, on cherche celle-ci sous forme de suite g´eom´etrique. On se ram`ene ainsi `a r´esoudre une ´equation de second degr´e dans R ou dans C. Une application classique est fournie par la suite de Fibonacci.

Exemple 2.2.5 un+2= un+1+ un, avec u0 = 0 et u1 = 1. On obtient Suite de Fibonacci un= √ 5 5 " 1 +√5 2 !n − 1− √ 5 2 !n# .

Le nombre Φ = 1 + √ 5

2 est ditnombre d’or.

u0 u1 u2 u1 u2 u3 n un 0 −2• Cf Cf f (x) =√x + 2

Exemple 2.2.6 Soit la suite

graphe d’une suite un+1= f(un)

(un) de premier terme u0 = 1, 5

et d´efinie pour tout n∈ Npar :

un+1 =√un+ 1. On peut ´ecrire

un+1 = f (un) o`u la fonction f

est donn´ee par f (x) = √x + 2. On proc`ede de la mani`ere suivante :

On trace la courbe Cf repr´esentative de f sur [−2, +∞[ et la droite Df d’´equation

y = x;

On place u0 sur l’axe des abscisses;

On place u1 = f (u0) image de u0 par f ;

On r´eit`ere la m´ethode de construction pour placer les autres termes sur l’axe des ordonn´ees.

D´efinition. Soit (un) une suite r´eelle. On dit que (un) est

• Croissante (resp. strictement croissante) si un+1 ≥ un (resp. un+1 > un).

• D´ecroissante (resp. strictement d´ecroissante) si un+1≤ un (resp. un+1 < un).

• Monotone si elle est croissante ou d´ecroissante.

D´emarche pratique : Pour d´eterminer le sens de variation d’une suite (un), on Sens de variations d’une suite

proc`ede suivant les cas de la mani`ere suivante :

D´eterminer le signe de un+1− un.

Si les termes de la suite sont strictement poistifs, on compare la quantit´e un+1

un

et 1.

Si la suite est arithm´etique, le sens de variation est d´etermin´e par le signe de la

raison r = un+1− un.

◆ Si la suite est g´eom´etrique, le sens de variation est d´etermin´e par la comparison de q = un+1/un est 1.

◆ Si la suite est d´efinie par un = f (n), le sens de variation de la suite est d´etermin´e

par celui de la fonction f sur l’intervalle [0, +∞[.

◆ Si la suite est d´efinie par un+1 = f (un), le sens de variation de la suite est d´etermin´e

par celui de la fonction f sur l’intervalle [0, +∞[ tout en utilisant une r´ecurrence.

Exemple 2.2.7 Comme la fonction f d´efinie par f (x) = x2+ x + 1 est croissante sur

[0; +∞[, la suite (un) de terme g´en´eral un= n2 + n + 1 est croissante.

Exemple 2.2.8 Consid´erons la suite de terme g´en´eral un =

1

n. C’est une suite de termes positifs d´efinie sur N∗. Comme un+1

un

= n

d´ecroissante sur N∗. On peut, d’autre part, trouver la mˆeme r´esultat en calculant la diff´erence un+1− un = −1

n(n + 1) < 0, donc un+1 < un. Mais un= f (n) avec f (x) = 1 x qui est une fonction strictement d´ecroissante sur [1, +∞[ donc la suite (un) admet le mˆeme

sens de variations sur N∗.

Exemple 2.2.9 Consid´erons la suite de terme g´en´eral un =

n2

n + 1. C’est une suite de termes positifs d´efinie sur N. Comme un+1− un =

n2 + 3n + 1

(n + 1)(n + 2) > 0, donc un+1 > un. La suite (un) est strictement croissante.

Exemple 2.2.10 Une suite arithm´etique est strictement croissante (resp.d´ecroissante) si sa raison r > 0 (resp. r < 0).

Exemple 2.2.11 La suite de terme g´en´eral vn =

 2 3

n

, est une suite g´eom´etrique de raison q = 2

3. Elle est strictement d´ecroissante sur N, car vn+1

vn

= 2

3 = q < 1.

D´efinition. Soit (un) une suite r´eelle. On dit que (un) est

• Major´ee s’il existe un r´eel M tel que pour tout n∈ N on a un ≤ M.

• Minor´ee s’il existe un r´eel m tel que pour tout n∈ N on a un≥ m.

• Born´ee s’il existe deux r´eels m et M tels que pour tout n ∈ N on a m ≤ un ≤ M

c’est-`a-dire si la suite et minor´ee et major´ee.

Exemple 2.2.12 La suite un=

1

n + 1 est une suite born´ee. Puisque, pour tout n∈ N on a 0≤ un< 1. De plus elles est strictement d´ecroissante, car (n + 1) + 1 > n + 1 et en

passant `a l’inverse on a un+1 < un.

Exemple 2.2.13 La suite un = sin n est une suite major´ee par le r´eel 1.

Exemple 2.2.14 La suite vn = anv0 est une suite croissante non major´ee si a > 1.

Par ailleurs, on v´erifie que :

La somme de deux suites croissantes (resp. d´ecroissantes) est encore croissantes (resp. d´ecroissantes).

Le produit d’une suite croissante (resp. d´ecroissante) par un r´eel positif est crois- sante (resp. d´ecroissante)(resp. d´ecroissantes).

Le produit d’une suite croissante (resp. d´ecroissante) par unr´eel n´egatifest d´ecroissante (resp. croissante).

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