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Licence 1 · Analyse L1 — Limites, continuité et dérivabilité

Suites numériques

Suites numériques

### 1. Définitions de base

Une suite numérique est une application u:N→Ru : \mathbb{N} \to \mathbb{R} (ou définie à partir d'un certain rang n0n_0). On note un=u(n)u_n = u(n) le terme général, et la suite elle-même (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}}.

Une suite peut être définie :
- explicitement : un=f(n)u_n = f(n) pour une fonction ff donnée (ex : un=1n+1u_n = \dfrac{1}{n+1}) ;
- par récurrence : u0u_0 donné et un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) pour une fonction ff donnée.

Suite majorée / minorée / bornée : (un)(u_n) est majorée s'il existe M∈RM \in \mathbb{R} tel que un≤Mu_n \leq M pour tout nn ; minorée s'il existe m∈Rm \in \mathbb{R} tel que un≥mu_n \geq m pour tout nn ; bornée si elle est à la fois majorée et minorée, ce qui équivaut à ∃K≥0,  ∀n,  ∣un∣≤K\exists K \geq 0,\; \forall n,\; |u_n| \leq K.

Suite croissante / décroissante : (un)(u_n) est croissante si un+1≥unu_{n+1} \geq u_n pour tout nn ; décroissante si un+1≤unu_{n+1} \leq u_n pour tout nn ; monotone si elle est croissante ou décroissante.

### 2. Convergence : définition formelle

On dit que (un)(u_n) converge vers ℓ∈R\ell \in \mathbb{R}, et on note lim⁡n→+∞un=ℓ\displaystyle\lim_{n \to +\infty} u_n = \ell, si :

∀ε>0,  ∃N∈N,  ∀n≥N,  ∣un−ℓ∣<ε\forall \varepsilon > 0,\; \exists N \in \mathbb{N},\; \forall n \geq N,\; |u_n - \ell| < \varepsilon

Autrement dit, tout intervalle ouvert centré en ℓ\ell, même très petit, contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang. Une suite qui ne converge vers aucun réel est dite divergente (elle peut tendre vers +∞+\infty, vers −∞-\infty, ou n'avoir aucune limite, comme un=(−1)nu_n = (-1)^n).

Unicité de la limite : si une suite converge, sa limite est unique.

Suite convergente ⇒\Rightarrow suite bornée : toute suite convergente est bornée (la réciproque est fausse : un=(−1)nu_n = (-1)^n est bornée mais ne converge pas).

Divergence vers +∞+\infty : lim⁡n→+∞un=+∞\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = +\infty si ∀M>0,  ∃N∈N,  ∀n≥N,  un>M\forall M > 0,\; \exists N \in \mathbb{N},\; \forall n \geq N,\; u_n > M.

### 3. Opérations sur les limites

Si lim⁡n→+∞un=ℓ\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = \ell et lim⁡n→+∞vn=ℓ′\displaystyle\lim_{n\to+\infty} v_n = \ell' (limites finies), alors :

| Opération | Résultat |
|-----------|----------|
| un+vnu_n + v_n | ℓ+ℓ′\ell + \ell' |
| un⋅vnu_n \cdot v_n | ℓ⋅ℓ′\ell \cdot \ell' |
| un/vnu_n / v_n (si ℓ′≠0\ell' \neq 0) | ℓ/ℓ′\ell / \ell' |

Les formes indéterminées ∞∞\dfrac{\infty}{\infty}, ∞−∞\infty - \infty, 0×∞0 \times \infty, 00\dfrac{0}{0} se traitent comme pour les fonctions (factorisation par le terme dominant, quantité conjuguée, etc.).

### 4. Théorème des gendarmes pour les suites

Énoncé : Si (un)(u_n), (vn)(v_n), (wn)(w_n) vérifient vn≤un≤wnv_n \leq u_n \leq w_n à partir d'un certain rang, et si lim⁡n→+∞vn=lim⁡n→+∞wn=ℓ\displaystyle\lim_{n\to+\infty} v_n = \displaystyle\lim_{n\to+\infty} w_n = \ell, alors lim⁡n→+∞un=ℓ\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = \ell.

Exemple résolu : Montrer que lim⁡n→+∞sin⁡nn=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty} \dfrac{\sin n}{n} = 0.

Pour n≥1n \geq 1, on a −1≤sin⁡n≤1-1 \leq \sin n \leq 1, donc en divisant par n>0n > 0 : −1n≤sin⁡nn≤1n-\dfrac{1}{n} \leq \dfrac{\sin n}{n} \leq \dfrac{1}{n}. Comme 1n→0\dfrac{1}{n} \to 0 et −1n→0-\dfrac{1}{n} \to 0, le théorème des gendarmes donne sin⁡nn→0\dfrac{\sin n}{n} \to 0.

### 5. Suites monotones bornées

Théorème de la limite monotone : Toute suite croissante et majorée converge (vers ℓ=sup⁡{un,n∈N}\ell = \sup\{u_n, n \in \mathbb{N}\}). Toute suite décroissante et minorée converge.

Plus généralement : toute suite croissante non majorée tend vers +∞+\infty, toute suite décroissante non minorée tend vers −∞-\infty.

Exemple résolu : Soit u0=1u_0 = 1 et un+1=un+22u_{n+1} = \dfrac{u_n + 2}{2}. Montrons que (un)(u_n) converge.

Monotonie : un+1−un=un+22−un=2−un2u_{n+1} - u_n = \dfrac{u_n+2}{2} - u_n = \dfrac{2 - u_n}{2}. On montre par récurrence que un≤2u_n \leq 2 pour tout nn : c'est vrai pour n=0n=0 (u0=1≤2u_0 = 1 \leq 2) ; si un≤2u_n \leq 2, alors un+1=un+22≤2+22=2u_{n+1} = \dfrac{u_n+2}{2} \leq \dfrac{2+2}{2} = 2. Donc un≤2u_n \leq 2 pour tout nn, d'où un+1−un=2−un2≥0u_{n+1} - u_n = \dfrac{2-u_n}{2} \geq 0 : la suite est croissante.

Majoration : on vient de montrer un≤2u_n \leq 2.

Par le théorème de la limite monotone, (un)(u_n) converge vers une limite ℓ≤2\ell \leq 2.

### 6. Théorème des suites adjacentes

Deux suites (un)(u_n) et (vn)(v_n) sont adjacentes si : (un)(u_n) est croissante, (vn)(v_n) est décroissante, et lim⁡n→+∞(vn−un)=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty} (v_n - u_n) = 0.

Théorème : Deux suites adjacentes convergent vers la même limite ℓ\ell, et l'on a l'encadrement un≤ℓ≤vnu_n \leq \ell \leq v_n pour tout nn.

Exemple classique : un=∑k=0n1k!u_n = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} \dfrac{1}{k!} et vn=un+1n⋅n!v_n = u_n + \dfrac{1}{n \cdot n!} sont adjacentes et convergent vers ee.

### 7. Suites arithmétiques, géométriques, arithmético-géométriques

Suite arithmétique : un+1=un+ru_{n+1} = u_n + r (rr = raison). Terme général : un=u0+nru_n = u_0 + nr. Somme des n+1n+1 premiers termes : ∑k=0nuk=(n+1)⋅u0+un2\displaystyle\sum_{k=0}^{n} u_k = (n+1) \cdot \dfrac{u_0 + u_n}{2}.

Suite géométrique : un+1=q⋅unu_{n+1} = q \cdot u_n (qq = raison, q≠0q \neq 0). Terme général : un=u0⋅qnu_n = u_0 \cdot q^n. Pour q≠1q \neq 1 : ∑k=0nuk=u0⋅1−qn+11−q\displaystyle\sum_{k=0}^{n} u_k = u_0 \cdot \dfrac{1 - q^{n+1}}{1 - q}.

Convergence d'une suite géométrique : si ∣q∣<1|q| < 1, un→0u_n \to 0 ; si q=1q = 1, unu_n est constante ; si q>1q > 1, un→+∞u_n \to +\infty (pour u0>0u_0 > 0) ; si q≤−1q \leq -1, (un)(u_n) diverge sans limite.

Suite arithmético-géométrique : un+1=aun+bu_{n+1} = a u_n + b avec a≠1a \neq 1. On cherche le point fixe ℓ\ell de f(x)=ax+bf(x) = ax+b, c'est-à-dire ℓ=aℓ+b\ell = a\ell + b, soit ℓ=b1−a\ell = \dfrac{b}{1-a}. On pose vn=un−ℓv_n = u_n - \ell ; alors vn+1=un+1−ℓ=aun+b−ℓ=a(un−ℓ)=avnv_{n+1} = u_{n+1} - \ell = au_n + b - \ell = a(u_n - \ell) = a v_n, donc (vn)(v_n) est géométrique de raison aa : vn=v0⋅anv_n = v_0 \cdot a^n, d'où :

un=ℓ+(u0−ℓ) anu_n = \ell + (u_0 - \ell) \, a^n

Exemple résolu : u0=5u_0 = 5, un+1=12un+3u_{n+1} = \dfrac{1}{2} u_n + 3. Point fixe : ℓ=12ℓ+3⇒12ℓ=3⇒ℓ=6\ell = \dfrac{1}{2}\ell + 3 \Rightarrow \dfrac{1}{2}\ell = 3 \Rightarrow \ell = 6. Donc un=6+(5−6)(12)n=6−(12)nu_n = 6 + (5-6)\left(\dfrac{1}{2}\right)^n = 6 - \left(\dfrac{1}{2}\right)^n, et un→6u_n \to 6.

### 8. Suites récurrentes un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n)

Pour étudier une suite définie par u0u_0 donné et un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) :

1. Stabilité d'un intervalle : trouver un intervalle II tel que u0∈Iu_0 \in I et f(I)⊂If(I) \subset I ; on montre alors par récurrence que un∈Iu_n \in I pour tout nn.
2. Monotonie : si ff est croissante sur II, (un)(u_n) est monotone, et son sens dépend du signe de u1−u0u_1 - u_0 (si u1≥u0u_1 \geq u_0, (un)(u_n) croît ; sinon décroît). Si ff est décroissante, on étudie séparément les suites (u2n)(u_{2n}) et (u2n+1)(u_{2n+1}), qui sont monotones de sens opposés.
3. Recherche de limite : si (un)(u_n) converge vers ℓ\ell et que ff est continue, alors ℓ\ell est point fixe de ff, c'est-à-dire f(ℓ)=ℓf(\ell) = \ell. On résout cette équation pour identifier les candidats, puis on conclut grâce à l'encadrement obtenu en 1.

Exemple résolu : u0=0u_0 = 0, un+1=un+2u_{n+1} = \sqrt{u_n + 2}. Posons f(x)=x+2f(x) = \sqrt{x+2}, définie et croissante sur [−2,+∞[[-2, +\infty[.

Intervalle stable : montrons 0≤un≤20 \leq u_n \leq 2 pour tout nn par récurrence. Initialisation : u0=0∈[0,2]u_0 = 0 \in [0,2]. Hérédité : si 0≤un≤20 \leq u_n \leq 2, alors 2≤un+2≤42 \leq u_n + 2 \leq 4, donc 2≤un+1≤2\sqrt 2 \leq u_{n+1} \leq 2, en particulier 0≤un+1≤20 \leq u_{n+1} \leq 2.

Monotonie : u1=0+2=2≈1,41>u0=0u_1 = \sqrt{0+2} = \sqrt{2} \approx 1{,}41 > u_0 = 0. Comme ff est croissante, u1≥u0⇒u2=f(u1)≥f(u0)=u1u_1 \geq u_0 \Rightarrow u_2 = f(u_1) \geq f(u_0) = u_1, et par récurrence (un)(u_n) est croissante.

Convergence : (un)(u_n) est croissante et majorée par 22, donc converge vers une limite ℓ∈[0,2]\ell \in [0,2]. Comme ff est continue, ℓ\ell vérifie f(ℓ)=ℓf(\ell) = \ell, c'est-à-dire ℓ+2=ℓ\sqrt{\ell+2} = \ell, soit ℓ2=ℓ+2\ell^2 = \ell + 2 (avec ℓ≥0\ell \geq 0), donc ℓ2−ℓ−2=0\ell^2 - \ell - 2 = 0, qui se factorise (ℓ−2)(ℓ+1)=0(\ell-2)(\ell+1)=0. Comme ℓ≥0\ell \geq 0, on a ℓ=2\ell = 2.

### 9. Comparaison de suites : suites équivalentes et croissances comparées

Suites équivalentes : (un)∼(vn)(u_n) \sim (v_n) si un=vn⋅(1+εn)u_n = v_n \cdot (1 + \varepsilon_n) avec εn→0\varepsilon_n \to 0, ce qui équivaut (lorsque vn≠0v_n \neq 0) à lim⁡n→+∞unvn=1\displaystyle\lim_{n\to+\infty} \dfrac{u_n}{v_n} = 1. Deux suites équivalentes ont le même comportement asymptotique (signe, limite éventuelle).

Règle pratique : pour un polynôme ou une somme de termes, le terme de plus haut degré (ou le terme dominant) donne un équivalent : 3n2−5n+1∼3n23n^2 - 5n + 1 \sim 3n^2 quand n→+∞n \to +\infty.

Croissances comparées (rappel) : pour tout α>0\alpha > 0 et tout a>1a > 1 :

lim⁡n→+∞ln⁡nnα=0lim⁡n→+∞nαan=0lim⁡n→+∞ann!=0lim⁡n→+∞n!nn=0\lim_{n\to+\infty} \frac{\ln n}{n^\alpha} = 0 \qquad \lim_{n\to+\infty} \frac{n^\alpha}{a^n} = 0 \qquad \lim_{n\to+\infty} \frac{a^n}{n!} = 0 \qquad \lim_{n\to+\infty} \frac{n!}{n^n} = 0

On retient l'ordre de domination : ln⁡n≪nα≪an≪n!≪nn\ln n \ll n^\alpha \ll a^n \ll n! \ll n^n (pour α>0\alpha>0, a>1a>1).

Exemple résolu : Déterminer lim⁡n→+∞n10+2nn!\displaystyle\lim_{n\to+\infty} \dfrac{n^{10} + 2^n}{n!}.

On sait que 2nn!→0\dfrac{2^n}{n!} \to 0 et n10n!→0\dfrac{n^{10}}{n!} \to 0 (puisque n10≪an≪n!n^{10} \ll a^n \ll n!). La suite est somme de deux termes tendant chacun vers 00, donc lim⁡n→+∞n10+2nn!=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty} \dfrac{n^{10}+2^n}{n!} = 0.

Exercices de la leçon

Exercice 1

Soit un=2n+1n+3u_n = \dfrac{2n+1}{n+3}. Quelle est lim⁡n→+∞un\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n ?

Corrigé

On divise numérateur et dénominateur par nn : un=2+1/n1+3/n→21=2u_n = \dfrac{2 + 1/n}{1 + 3/n} \to \dfrac{2}{1} = 2 quand n→+∞n \to +\infty.

Exercice 2

Soit (un)(u_n) la suite arithmétique de premier terme u0=4u_0 = 4 et de raison r=3r = 3. Que vaut u10u_{10} ?

Corrigé

Pour une suite arithmétique, un=u0+nru_n = u_0 + nr. Donc u10=4+10×3=4+30=34u_{10} = 4 + 10 \times 3 = 4 + 30 = 34.

Exercice 3

Soit (un)(u_n) géométrique de premier terme u0=3u_0 = 3 et de raison q=12q = \dfrac{1}{2}. Quelle est lim⁡n→+∞un\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n ?

Corrigé

Comme ∣q∣=12<1|q| = \dfrac{1}{2} < 1, on a un=3(12)n→0u_n = 3 \left(\dfrac{1}{2}\right)^n \to 0 quand n→+∞n \to +\infty.

Exercice 4

Vrai ou faux : toute suite convergente est bornée.

Corrigé

Vrai. Si un→ℓu_n \to \ell, en prenant ε=1\varepsilon = 1 dans la définition de la limite, il existe NN tel que pour n≥Nn \geq N, ∣un−ℓ∣<1|u_n - \ell| < 1, donc unu_n est bornée à partir du rang NN. Les termes u0,…,uN−1u_0, \dots, u_{N-1} sont en nombre fini, donc aussi bornés. La suite entière est donc bornée.

Exercice 5

Vrai ou faux : la suite un=(−1)nu_n = (-1)^n est bornée et converge.

Corrigé

Faux. La suite est bien bornée (∣un∣=1|u_n| = 1 pour tout nn), mais elle ne converge pas : les termes valent alternativement 11 et −1-1, donc n'approchent aucune valeur unique. Ceci montre que la réciproque de « convergente ⇒\Rightarrow bornée » est fausse.

Exercice 6

Soit un=(−1)nnu_n = \dfrac{(-1)^n}{n} pour n≥1n \geq 1. Que vaut lim⁡n→+∞un\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n ?

Corrigé

On a −1n≤(−1)nn≤1n-\dfrac{1}{n} \leq \dfrac{(-1)^n}{n} \leq \dfrac{1}{n} pour n≥1n \geq 1. Comme 1n→0\dfrac{1}{n} \to 0 et −1n→0-\dfrac{1}{n} \to 0, le théorème des gendarmes donne un→0u_n \to 0.

Exercice 7

Soit u0=0u_0 = 0 et un+1=un+22u_{n+1} = \dfrac{u_n+2}{2}. Quelle est la limite de (un)(u_n) ?

Corrigé

C'est une suite arithmético-géométrique un+1=12un+1u_{n+1} = \frac{1}{2}u_n + 1. Le point fixe vérifie ℓ=12ℓ+1⇒12ℓ=1⇒ℓ=2\ell = \frac{1}{2}\ell + 1 \Rightarrow \frac{1}{2}\ell = 1 \Rightarrow \ell = 2. On a un=2+(u0−2)(12)n=2−2(12)n→2u_n = 2 + (u_0 - 2)\left(\frac{1}{2}\right)^n = 2 - 2\left(\frac{1}{2}\right)^n \to 2.

Exercice 8

Quel est l'équivalent simple de un=5n3−2n2+7u_n = 5n^3 - 2n^2 + 7 quand n→+∞n \to +\infty ?

Corrigé

Pour un polynôme, l'équivalent en +∞+\infty est donné par le terme de plus haut degré : 5n3−2n2+7∼5n35n^3 - 2n^2 + 7 \sim 5n^3, car 5n3−2n2+75n3=1−25n+75n3→1\dfrac{5n^3-2n^2+7}{5n^3} = 1 - \dfrac{2}{5n} + \dfrac{7}{5n^3} \to 1.

Exercice 9

Vrai ou faux : si ff est décroissante sur un intervalle stable II et un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n), alors (un)(u_n) est nécessairement monotone.

Corrigé

Faux. Quand ff est décroissante, (un)(u_n) n'est en général pas monotone (elle peut osciller). En revanche, les suites extraites (u2n)(u_{2n}) et (u2n+1)(u_{2n+1}) sont chacune monotones (de sens opposés), car f∘ff \circ f est croissante.

Exercice 10

Que vaut lim⁡n→+∞n52n\displaystyle\lim_{n\to+\infty} \dfrac{n^5}{2^n} ?

Corrigé

Par croissances comparées, toute exponentielle de base a>1a>1 domine toute puissance de nn : lim⁡n→+∞nαan=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty} \dfrac{n^\alpha}{a^n} = 0 pour tout α>0\alpha > 0 et a>1a > 1. Ici α=5\alpha = 5, a=2a = 2, donc la limite est 00.

Exercice 11

Démontrer, à l'aide de la définition formelle avec ε\varepsilon et NN, que lim⁡n→+∞1n+1=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty} \dfrac{1}{n+1} = 0.

Corrigé

Définition à vérifier : ∀ε>0, ∃N∈N, ∀n≥N, ∣1n+1−0∣<ε\forall \varepsilon>0,\, \exists N \in \mathbb{N},\, \forall n \geq N,\, \left|\dfrac{1}{n+1} - 0\right| < \varepsilon.

Preuve : Soit ε>0\varepsilon > 0. Comme n+1>0n+1 > 0, on a ∣1n+1∣=1n+1\left|\dfrac{1}{n+1}\right| = \dfrac{1}{n+1}. On veut 1n+1<ε\dfrac{1}{n+1} < \varepsilon, ce qui équivaut à n+1>1εn+1 > \dfrac{1}{\varepsilon}, soit n>1ε−1n > \dfrac{1}{\varepsilon} - 1.

Par la propriété d'Archimède, il existe un entier NN tel que N>1ε−1N > \dfrac{1}{\varepsilon} - 1. Pour tout n≥Nn \geq N, on a alors n+1≥N+1>1εn+1 \geq N+1 > \dfrac{1}{\varepsilon}, donc 1n+1<ε\dfrac{1}{n+1} < \varepsilon.

Ceci établit lim⁡n→+∞1n+1=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty} \dfrac{1}{n+1} = 0. □\square

Exercice 12

Soit u0=3u_0 = 3 et un+1=2unu_{n+1} = \sqrt{2u_n}. Quelle est la limite de (un)(u_n) ?

Corrigé

Posons f(x)=2xf(x) = \sqrt{2x}, croissante sur [0,+∞[[0,+\infty[. Montrons que un≥2u_n \geq 2 pour tout nn par récurrence : u0=3≥2u_0 = 3 \geq 2 ; si un≥2u_n \geq 2, alors 2un≥42u_n \geq 4 donc un+1=2un≥2u_{n+1} = \sqrt{2u_n} \geq 2. Ensuite, u1=6≈2,449<u0=3u_1 = \sqrt{6} \approx 2{,}449 < u_0 = 3, et ff croissante implique que (un)(u_n) est décroissante. Étant décroissante et minorée par 22, elle converge vers ℓ≥2\ell \geq 2 vérifiant f(ℓ)=ℓf(\ell)=\ell, soit 2ℓ=ℓ\sqrt{2\ell} = \ell, donc 2ℓ=ℓ22\ell = \ell^2 (avec ℓ≥0\ell \geq 0), soit ℓ(ℓ−2)=0\ell(\ell - 2) = 0. Comme ℓ≥2\ell \geq 2, on a ℓ=2\ell = 2.

Exercice 13

Démontrer le théorème des suites adjacentes : si (un)(u_n) est croissante, (vn)(v_n) décroissante, et vn−un→0v_n - u_n \to 0, alors (un)(u_n) et (vn)(v_n) convergent vers la même limite.

Corrigé

Preuve :

Posons wn=vn−unw_n = v_n - u_n. Comme (un)(u_n) est croissante et (vn)(v_n) décroissante, wn+1−wn=(vn+1−vn)−(un+1−un)≤0w_{n+1} - w_n = (v_{n+1}-v_n) - (u_{n+1}-u_n) \leq 0 : (wn)(w_n) est décroissante. Comme wn→0w_n \to 0 et (wn)(w_n) décroissante, on a wn≥0w_n \geq 0 pour tout nn (sinon (wn)(w_n) resterait négative et ne pourrait pas tendre vers 00 par valeurs négatives en restant décroissante... plus directement : si (wn)(w_n) est décroissante et converge vers 00, alors wn≥lim⁡wn=0w_n \geq \lim w_n = 0). Donc un≤vnu_n \leq v_n pour tout nn.

On en déduit un≤vn≤v0u_n \leq v_n \leq v_0 : (un)(u_n) est croissante et majorée par v0v_0, donc converge (théorème de la limite monotone) vers une limite ℓ1\ell_1.

De même vn≥un≥u0v_n \geq u_n \geq u_0 : (vn)(v_n) est décroissante et minorée par u0u_0, donc converge vers une limite ℓ2\ell_2.

Par opérations sur les limites, vn−un→ℓ2−ℓ1v_n - u_n \to \ell_2 - \ell_1. Or par hypothèse vn−un→0v_n - u_n \to 0, donc ℓ2−ℓ1=0\ell_2 - \ell_1 = 0, soit ℓ1=ℓ2=ℓ\ell_1 = \ell_2 = \ell.

De plus, (un)(u_n) croissante donne un≤ℓu_n \leq \ell, et (vn)(v_n) décroissante donne vn≥ℓv_n \geq \ell, d'où l'encadrement un≤ℓ≤vnu_n \leq \ell \leq v_n. □\square

Exercice 14

Soit un=(1+1n)nu_n = \left(1 + \dfrac{1}{n}\right)^n et vn=(1+1n)n+1v_n = \left(1 + \dfrac{1}{n}\right)^{n+1}. Que peut-on affirmer ?

Corrigé

C'est un résultat classique : on peut montrer que (un)(u_n) est croissante, (vn)(v_n) décroissante, et que vn−un=(1+1n)n⋅1n→0v_n - u_n = \left(1+\frac{1}{n}\right)^n \cdot \frac{1}{n} \to 0 (car (un)(u_n) est bornée et 1/n→01/n \to 0). Les deux suites sont donc adjacentes et convergent vers la même limite, qui est par définition le nombre ee.

Exercice 15

Soit un=n!nnu_n = \dfrac{n!}{n^n}. Démontrer que lim⁡n→+∞un=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = 0.

Corrigé

Preuve : Pour n≥1n \geq 1, on écrit :

un=n!nn=n×(n−1)×(n−2)×⋯×2×1n×n×n×⋯×n=nn⋅n−1n⋅n−2n⋯1nu_n = \frac{n!}{n^n} = \frac{n \times (n-1) \times (n-2) \times \cdots \times 2 \times 1}{n \times n \times n \times \cdots \times n} = \frac{n}{n} \cdot \frac{n-1}{n} \cdot \frac{n-2}{n} \cdots \frac{1}{n}

Chacun des facteurs n−kn\dfrac{n-k}{n} (pour k=0,…,n−1k = 0, \dots, n-1) vérifie 0≤n−kn≤10 \leq \dfrac{n-k}{n} \leq 1. On isole le dernier facteur (correspondant à k=n−1k=n-1), qui vaut 1n\dfrac{1}{n} :

0≤un=nn⋅n−1n⋯2n⏟≤1 chacun⋅1n≤1⋅1n=1n0 \leq u_n = \underbrace{\frac{n}{n}\cdot\frac{n-1}{n}\cdots\frac{2}{n}}_{\leq 1 \text{ chacun}} \cdot \frac{1}{n} \leq 1 \cdot \frac{1}{n} = \frac{1}{n}

On a donc l'encadrement 0≤un≤1n0 \leq u_n \leq \dfrac{1}{n} pour tout n≥1n \geq 1. Comme 1n→0\dfrac{1}{n} \to 0, le théorème des gendarmes donne lim⁡n→+∞un=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = 0. □\square

AlphaMath Académie · Suites numériques · Analyse L1 — Limites, continuité et dérivabilité