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Première Spé Maths / Chapitre 2 : Suites numériques

Suites numériques : exercices de synthèse

Quatre exercices complets, au format d'un devoir :

  • deux plans d'épargne : un arithmétique, un géométrique, avec un seuil ;
  • des bactéries qui se multiplient : évolution en pourcentage et seuil avec Python ;
  • un empilement de briques : suite arithmétique et somme.
  • des allumettes et un escalier : motifs, dénombrement, relation de récurrence et formule explicite.

Les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une excellente copie :

  • nature de la suite justifiée ;
  • terme général et somme avec le bon nombre de termes ;
  • coefficient multiplicateur expliqué ;
  • conclusion en contexte, avec l'unité.

Elles suivent le Guide de rédaction général et celui du chapitre. Durée conseillée : 25 minutes par exercice, sur papier, sans regarder la correction.

💡 Comment t'entraîner efficacement

  • Chronomètre-toi et rédige tout, comme en devoir.
  • Pour chaque suite, écris d'abord la relation un+1=…u_{n+1}=\dots et nomme la nature de la suite.
  • Si tu bloques sur une question, écris ce que tu sais et passe à la suivante.
  • À la fin de chaque exercice, ouvre « Points clés attendus » : c'est la liste de ce que le correcteur cherche.

Exercice 1 : deux plans d'épargne

Une personne place 1 0001\,000 € et hésite entre deux plans.

Plan A : le capital augmente de 5050 € chaque année. On note AnA_n le capital après nn années.

Plan B : le capital augmente de 4 %4\,\% chaque année. On note BnB_n le capital après nn années.

1. Justifier la nature de (An)(A_n) et de (Bn)(B_n) et exprimer AnA_n et BnB_n en fonction de nn.

2. Calculer A10A_{10} et B10B_{10}. Quel plan est le plus avantageux au bout de 1010 ans ?

3. Écrire un script Python qui détermine la première année à partir de laquelle le plan B dépasse le plan A. Donner sa valeur et interpréter.

✏️ Correction de la question 1

Chaque année, le capital du plan A augmente de 5050 € : An+1=An+50A_{n+1}=A_n+50.

✅ (An)(A_n) est arithmétique de raison 5050 et de premier terme 1 0001\,000 : An=1 000+50nA_n=1\,000+50n.

Une hausse de 4 %4\,\% correspond à un coefficient multiplicateur de 1,041{,}04 : Bn+1=1,04 BnB_{n+1}=1{,}04\,B_n.

✅ (Bn)(B_n) est géométrique de raison 1,041{,}04 et de premier terme 1 0001\,000 : Bn=1 000×1,04nB_n=1\,000\times1{,}04^n.

✏️ Correction de la question 2

A10=1 000+500=1 500A_{10}=1\,000+500=1\,500 €.

B10=1 000×1,0410≈1 480,24B_{10}=1\,000\times1{,}04^{10}\approx1\,480{,}24 €.

✅ Au bout de 1010 ans, le plan A est le plus avantageux (1 5001\,500 € contre 1 480,241\,480{,}24 €).

✏️ Correction de la question 3
n = 0
while 1000 * 1.04**n <= 1000 + 50*n:
    n = n + 1
print(n)

Le script affiche 12.

Vérification : B11≈1 539,45<A11=1 550B_{11}\approx1\,539{,}45<A_{11}=1\,550 et B12≈1 601,03>A12=1 600B_{12}\approx1\,601{,}03>A_{12}=1\,600.

✅ Le plan B dépasse le plan A à partir de la 12e12^{\text{e}} année.

Et au-delà ? Pour n⩾12n\geqslant12, on compare les accroissements : An+1−An=50A_{n+1}-A_n=50 et Bn+1−Bn=0,04 BnB_{n+1}-B_n=0{,}04\,B_n. Comme (Bn)(B_n) est croissante, Bn⩾B12>1 600B_n\geqslant B_{12}>1\,600, donc 0,04 Bn>64>500{,}04\,B_n>64>50.

L'écart Bn−AnB_n-A_n augmente donc à chaque année à partir de n=12n=12, et il est déjà positif en n=12n=12 : le plan B reste plus avantageux pour tout n⩾12n\geqslant12.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 1

• Q1 : relation An+1=An+50A_{n+1}=A_n+50 et Bn+1=1,04 BnB_{n+1}=1{,}04\,B_n écrites, nature nommée, termes généraux.

• Q2 : deux calculs, comparaison conclue en contexte.

• Q3 : condition de la boucle correcte, valeur vérifiée par deux termes, interprétation.


Exercice 2 : des bactéries

Une culture contient 2 0002\,000 bactéries. Leur nombre augmente de 20 %20\,\% chaque heure. On note bnb_n le nombre de bactéries après nn heures.

1. Justifier que (bn)(b_n) est géométrique. Exprimer bnb_n.

2. Calculer le nombre de bactéries après 55 heures.

3. Donner le sens de variation de (bn)(b_n).

4. Déterminer, avec un algorithme, au bout de combien d'heures la culture dépasse 10 00010\,000 bactéries.

✏️ Correction de la question 1

Une hausse de 20 %20\,\% correspond à un coefficient multiplicateur de 1,21{,}2 : bn+1=1,2 bnb_{n+1}=1{,}2\,b_n.

✅ (bn)(b_n) est géométrique de raison 1,21{,}2 et de premier terme 2 0002\,000 : bn=2 000×1,2nb_n=2\,000\times1{,}2^n.

✏️ Correction de la question 2

b5=2 000×1,25=2 000×2,48832b_5=2\,000\times1{,}2^5=2\,000\times2{,}48832

✅ b5≈4 977b_5\approx4\,977 bactéries

✏️ Correction de la question 3

Le premier terme est positif et la raison 1,2>11{,}2>1.

✅ La suite (bn)(b_n) est strictement croissante.

✏️ Correction de la question 4
n = 0
b = 2000
while b <= 10000:
    b = b * 1.2
    n = n + 1
print(n)

Le script affiche 9.

Vérification : b8=2 000×1,28≈8 600<10 000b_8=2\,000\times1{,}2^8\approx8\,600<10\,000 et b9≈10 320>10 000b_9\approx10\,320>10\,000.

✅ La culture dépasse 10 00010\,000 bactéries au bout de 99 heures.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 2

• Q1 : coefficient multiplicateur expliqué, nature justifiée, terme général.

• Q2 : calcul et valeur approchée arrondie.

• Q3 : raison supérieure à 11 et premier terme positif cités.

• Q4 : algorithme correct, résultat vérifié avec deux termes, conclusion en heures.


Exercice 3 : des briques

On empile des briques en rangées.

La première rangée compte 3030 briques, et chaque rangée suivante compte 22 briques de moins que la précédente.

On note uku_k le nombre de briques de la kk-ième rangée (u1=30u_1=30).

1. Justifier que (uk)(u_k) est arithmétique et exprimer uku_k en fonction de kk.

2. Combien de rangées peut-on construire ?

3. Combien de briques y a-t-il dans les 55 premières rangées ?

4. Combien de briques faut-il en tout pour construire toutes les rangées ?

✏️ Correction de la question 1

Chaque rangée compte 22 briques de moins que la précédente : uk+1=uk−2u_{k+1}=u_k-2.

✅ (uk)(u_k) est arithmétique de raison −2-2 et de premier terme u1=30u_1=30.

uk=u1+(k−1)r=30−2(k−1)u_k=u_1+(k-1)r=30-2(k-1)

✅ uk=32−2ku_k=32-2k

✏️ Correction de la question 2

Une rangée existe si uk>0u_k>0 : 32−2k>0  ⟺  k<1632-2k>0\iff k<16. Donc k≤15k\le15. Pour k=15k=15 : u15=2u_{15}=2, et pour k=16k=16 : u16=0u_{16}=0.

✅ On peut construire 1515 rangées.

✏️ Correction de la question 3

Les 55 premières rangées : u1,…,u5u_1,\dots,u_5 avec u5=32−10=22u_5=32-10=22.

S5=5×u1+u52=5×30+222=5×26S_5=5\times\dfrac{u_1+u_5}2=5\times\dfrac{30+22}2=5\times26

✅ S5=130S_5=130 briques

✏️ Correction de la question 4

Il y a 1515 rangées, de u1=30u_1=30 à u15=2u_{15}=2 briques.

S=15×30+22=15×16S=15\times\dfrac{30+2}2=15\times16

✅ Il faut 240240 briques en tout.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 3

• Q1 : relation uk+1=uk−2u_{k+1}=u_k-2 écrite, premier terme au rang 11, donc uk=u1+(k−1)ru_k=u_1+(k-1)r.

• Q2 : condition uk>0u_k>0 résolue, dernier rang entier donné.

• Q3 et Q4 : formule de la somme citée, nombre de termes juste, valeurs des termes extrêmes.


Exercice 4 : motifs et dénombrement

Partie A : allumettes. On construit des figures avec des allumettes : la figure nn est une rangée de nn carrés accolés. On note ana_n le nombre d'allumettes de la figure nn.

figure 1figure 2figure 3
Allumettes : n carrés alignés

1. Donner a1a_1, a2a_2, a3a_3. Exprimer an+1a_{n+1} en fonction de ana_n et en déduire la nature de la suite (an)(a_n).

2. Exprimer ana_n en fonction de nn. Combien d'allumettes faut-il pour 2525 carrés ? Avec 301301 allumettes, combien de carrés peut-on aligner ?

Partie B : escalier. On construit un escalier avec des carreaux : la figure nn a nn marches, de hauteurs 11, 22, …\dots, nn carreaux. On note ene_n le nombre de carreaux de la figure nn.

figure 1figure 2figure 3figure 4
Escalier : les figures 1 à 4

3. Donner e1e_1, e2e_2, e3e_3, e4e_4. Exprimer en+1e_{n+1} en fonction de ene_n. La suite (en)(e_n) est-elle arithmétique ?

4. Donner une formule explicite de ene_n et la démontrer. Écrire un script Python qui renvoie le plus petit nombre de marches pour avoir plus de 500500 carreaux, et le vérifier par le calcul.

✏️ Correction de la question 1

Les figures comptent a1=4a_1=4, a2=7a_2=7 et a3=10a_3=10 allumettes. Pour passer de la figure nn à la figure n+1n+1, on ajoute un carré : 33 allumettes de plus (une en haut, une en bas, une à droite).

an+1=an+3a_{n+1}=a_n+3 pour tout n⩾1n\geqslant1 : la différence est constante.

✅ (an)(a_n) est arithmétique de raison 33 et de premier terme a1=4a_1=4.

✏️ Correction de la question 2

Le premier terme est au rang 11 : an=a1+(n−1)r=4+3(n−1)a_n=a_1+(n-1)r=4+3(n-1).

✅ an=3n+1a_n=3n+1.

Pour 2525 carrés : a25=3×25+1=76a_{25}=3\times25+1=76 allumettes.

Avec 301301 allumettes : 3n+1=301  ⟺  n=1003n+1=301\iff n=100.

✅ Il faut 7676 allumettes pour 2525 carrés, et 301301 allumettes permettent d'aligner 100100 carrés.

✏️ Correction de la question 3

On compte e1=1e_1=1, e2=1+2=3e_2=1+2=3, e3=3+3=6e_3=3+3=6 et e4=6+4=10e_4=6+4=10. De la figure nn à la figure n+1n+1, on ajoute une marche de hauteur n+1n+1 :

✅ en+1=en+(n+1)e_{n+1}=e_n+(n+1) avec e1=1e_1=1.

Les écarts valent 22, 33, 44 : ils ne sont pas constants, donc la suite n'est pas arithmétique (et les quotients 33, 22, 53\frac53 ne sont pas constants non plus).

✏️ Correction de la question 4

ene_n est la somme des hauteurs des marches : en=1+2+⋯+ne_n=1+2+\dots+n. D'après la formule démontrée dans le cours (somme écrite à l'endroit puis à l'envers) :

✅ en=n(n+1)2e_n=\dfrac{n(n+1)}2.

n = 1
e = 1
while e <= 500:
    n = n + 1
    e = e + n
print(n)

Le script affiche 32.

Vérification : e31=31×322=496⩽500e_{31}=\dfrac{31\times32}2=496\leqslant500 et e32=32×332=528>500e_{32}=\dfrac{32\times33}2=528>500.

✅ Il faut 3232 marches pour dépasser 500500 carreaux.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 4

• Q1 : comptage des premières figures, relation an+1=an+3a_{n+1}=a_n+3 écrite et nature nommée.

• Q2 : premier terme au rang 11 donc an=a1+(n−1)ra_n=a_1+(n-1)r, équation 3n+1=3013n+1=301 résolue, conclusion en contexte.

• Q3 : ce qui s'ajoute d'une figure à la suivante, écarts non constants donc pas arithmétique.

• Q4 : formule de 1+2+⋯+n1+2+\dots+n citée, script avec while, seuil vérifié par deux termes.


🎯 Les réflexes à retenir

  • Écris la relation un+1=…u_{n+1}=\dots avant d'annoncer la nature de la suite.
  • Hausse de t %t\,\% : coefficient 1+t1001+\dfrac t{100}. Ajout constant : arithmétique.
  • Une suite qui commence à u1u_1 : uk=u1+(k−1)ru_k=u_1+(k-1)r.
  • Nombre de termes = dernier rang −- premier rang +1+1.
  • Un seuil : algorithme avec while, vérifié par deux termes.
  • Conclus en contexte, avec l'unité.
  • Un motif : compte les premières figures, cherche ce qui s'ajoute d'une figure à la suivante, puis passe à la formule explicite.

Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.

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