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Première Spé Maths / Chapitre 2 : Suites numériques

Suites numériques : le cours

Une suite est une liste de nombres rangés dans l'ordre : le capital d'un livret année après année, la population d'une ville, le nombre de bactéries heure après heure. Les suites servent à modéliser ce qui évolue par étapes.

Ce chapitre présente deux familles à connaître par cœur : les suites arithmétiques (on ajoute toujours la même chose) et les suites géométriques (on multiplie toujours par le même nombre).

Dans tout le cours, tu verras des astuces 💡, des pièges ⚠️ et un peu d'humour 😄.

🎯 Comment utiliser ce cours

  • Lis une partie, puis fais tout de suite la fiche correspondante.
  • Retiens le fil rouge du chapitre : arithmétique = différence constante, géométrique = rapport constant.
  • Pour justifier qu'une suite est arithmétique ou géométrique, écris le calcul de un+1−unu_{n+1}-u_n ou de un+1un\dfrac{u_{n+1}}{u_n}.

1. Définition et notation

Une suite numérique (un)(u_n) associe à chaque entier naturel nn un réel unu_n, appelé terme de rang nn.

  • u0u_0 est le premier terme (souvent), u1u_1 le deuxième, etc.
  • un+1u_{n+1} est le terme qui suit unu_n.

Notations. Le terme de rang nn se note unu_n ou u(n)u(n), et la suite entière se note (un)(u_n) ou (u(n))(u(n)). Ce sont les mêmes objets : l'écriture u(n)u(n) rappelle qu'une suite est une fonction définie sur les entiers. Par exemple, u(3)=u3u(3)=u_3.

⚠️ Pièges de notation :

  • un+1u_{n+1} n'est pas un+1u_n+1 : c'est le terme de rang n+1n+1.
  • un2u_n^2 (le carré du terme) ne se confond pas avec u2nu_{2n}.
  • un−1u_{n-1} n'existe que pour n≥1n\ge1 si la suite commence à u0u_0.

2. Les modes de génération d'une suite

Définition explicite : un=f(n)u_n=f(n). On calcule directement n'importe quel terme.

Exemple : un=2n2−3n+1u_n=2n^2-3n+1. Alors u3=18−9+1=10u_3=18-9+1=10.

Définition par récurrence : on donne le premier terme et une relation un+1=f(un)u_{n+1}=f(u_n). Il faut calculer les termes de proche en proche.

Exemple : u0=3u_0=3 et un+1=2un−1u_{n+1}=2u_n-1. Alors u1=5u_1=5, u2=9u_2=9, u3=17u_3=17.

Définition par un algorithme : un script qui calcule les termes un à un définit aussi une suite (voir la partie 7).

Définition par un motif géométrique ou un dénombrement : on compte les éléments d'une figure qui dépend de l'entier nn. Les jetons ci-dessous forment des triangles ; on note TnT_n le nombre de jetons de la figure nn.

figure 11 jetonfigure 23 jetonsfigure 36 jetonsfigure 410 jetons
Nombres triangulaires : 1, 3, 6, 10 jetons

On lit T1=1T_1=1, T2=3T_2=3, T3=6T_3=6 et T4=10T_4=10. Pour passer de la figure nn à la figure n+1n+1, on ajoute une rangée (en bleu) de n+1n+1 jetons :

T1=1etTn+1=Tn+(n+1)T_1=1\quad\text{et}\quad T_{n+1}=T_n+(n+1)

C'est une relation de récurrence. La suite (Tn)(T_n) n'est ni arithmétique (les écarts valent 22, 33, 44) ni géométrique : ce sont les nombres triangulaires.

Passer d'un mode de génération à un autre. On cherche souvent une formule explicite pour une suite donnée par récurrence. L'idée : additionner les écarts uk+1−uku_{k+1}-u_k, comme dans la preuve du terme général d'une suite arithmétique.

  • Pour (Tn)(T_n), on additionne les rangées : Tn=1+2+⋯+n=n(n+1)2T_n=1+2+\dots+n=\dfrac{n(n+1)}2. Vérification : T4=4×52=10T_4=\dfrac{4\times5}2=10.
  • Pour w0=1w_0=1 et wn+1=wn+2nw_{n+1}=w_n+2n, on a wk+1−wk=2kw_{k+1}-w_k=2k. En additionnant pour kk de 00 à n−1n-1 : wn−w0=2 (0+1+⋯+(n−1))=2×(n−1)n2=n(n−1)w_n-w_0=2\,(0+1+\dots+(n-1))=2\times\dfrac{(n-1)n}2=n(n-1). Donc wn=n2−n+1w_n=n^2-n+1. Vérification : w4=16−4+1=13w_4=16-4+1=13.

Ces suites ne sont ni arithmétiques ni géométriques : il n'y a pas de formule à retenir, mais une méthode (additionner les écarts) et le réflexe de vérifier sur les premiers termes.

3. Sens de variation

Une suite (un)(u_n) est :

  • croissante si un+1≥unu_{n+1}\ge u_n pour tout nn ;
  • décroissante si un+1≤unu_{n+1}\le u_n pour tout nn ;
  • constante si un+1=unu_{n+1}=u_n pour tout nn.

(Strictement croissante ou décroissante avec des inégalités strictes.)

Méthodes pour étudier le sens de variation :

  1. Signe de un+1−unu_{n+1}-u_n. On calcule la différence et on étudie son signe.
  2. Quotient (si tous les termes sont strictement positifs) : on compare un+1un\dfrac{u_{n+1}}{u_n} à 11.
  3. Suite explicite un=f(n)u_n=f(n) : si ff est croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, alors (un)(u_n) est croissante. (Réciproque fausse.)

Représentation graphique. On représente une suite par le nuage de points isolés (n ; un)(n\,;\,u_n), qu'on ne relie pas : une suite n'est définie que pour les entiers. Une suite croissante a ses points qui montent quand on va vers la droite, une suite décroissante a ses points qui descendent.

Dans l'étude d'une suite, on passe sans cesse d'un registre à l'autre : la phrase (« le capital augmente de 5050 € par an »), la formule (un+1=un+50u_{n+1}=u_n+50) et le nuage de points. Savoir lire un graphique et le traduire en formule fait partie du travail.

4. Suites arithmétiques

Une suite est arithmétique de raison rr si, pour tout nn, un+1=un+ru_{n+1}=u_n+r.

Terme général : un=u0+n ru_n=u_0+n\,r. Plus généralement un=up+(n−p) ru_n=u_p+(n-p)\,r.

Sens de variation : croissante si r>0r>0, décroissante si r<0r<0, constante si r=0r=0.

Somme des termes consécutifs :

S=(nombre de termes)×premier terme+dernier terme2S=(\text{nombre de termes})\times\frac{\text{premier terme}+\text{dernier terme}}2

En particulier 1+2+⋯+n=n(n+1)21+2+\dots+n=\dfrac{n(n+1)}2.

Comment prouver qu'une suite est arithmétique ? On calcule un+1−unu_{n+1}-u_n et on trouve une constante.

Modélisation. Une grandeur qui augmente (ou diminue) de la même quantité à chaque étape (accroissements constants) est modélisée par une suite arithmétique : c'est une croissance linéaire.

5. Suites géométriques

Une suite est géométrique de raison qq si, pour tout nn, un+1=q unu_{n+1}=q\,u_n.

Terme général : un=u0 qnu_n=u_0\,q^n. Plus généralement un=up qn−pu_n=u_p\,q^{n-p}.

Sens de variation (avec u0≠0u_0\neq0 et q>0q>0) : un+1−un=u0 qn(q−1)u_{n+1}-u_n=u_0\,q^n(q-1), dont le signe est celui de u0(q−1)u_0(q-1).

  • si u0>0u_0>0 : croissante pour q>1q>1, décroissante pour 0<q<10<q<1 ;
  • si u0<0u_0<0 : décroissante pour q>1q>1, croissante pour 0<q<10<q<1 ;
  • si q=1q=1 (ou u0=0u_0=0) : constante.

Si q<0q<0 et u0≠0u_0\neq0, les termes changent de signe à chaque étape : la suite n'est pas monotone.

Somme des termes consécutifs (pour q≠1q\neq1) :

1+q+q2+⋯+qn=1−qn+11−q1+q+q^2+\dots+q^n=\frac{1-q^{n+1}}{1-q}
S=(premier terme)×1−qnombre de termes1−qS=(\text{premier terme})\times\frac{1-q^{\text{nombre de termes}}}{1-q}

Comment prouver qu'une suite est géométrique ? On calcule un+1un\dfrac{u_{n+1}}{u_n} (ou on écrit un+1=q unu_{n+1}=q\,u_n) et on trouve une constante.

Modélisation. Une grandeur qui évolue du même pourcentage à chaque étape (taux constant) est modélisée par une suite géométrique : c'est une croissance exponentielle. Le rapport un+1un\dfrac{u_{n+1}}{u_n} de deux termes consécutifs est alors constant et vaut qq.

💡 Astuce. Pour distinguer les deux familles : on ajoute rr à chaque étape (arithmétique), on multiplie par qq (géométrique). Un problème qui parle de « hausse de 5 € par an » est arithmétique ; « hausse de 5 %5\,\% par an » est géométrique.

6. Évolutions en pourcentage

  • Une hausse de t %t\,\% revient à multiplier par 1+t1001+\dfrac t{100}.
  • Une baisse de t %t\,\% revient à multiplier par 1−t1001-\dfrac t{100}.

Répétée chaque année, une évolution de t %t\,\% donne une suite géométrique de raison q=1±t100q=1\pm\dfrac t{100}.

Exemple : 5 0005\,000 € placés à 3 %3\,\% par an : le capital après nn années est Cn=5 000×1,03nC_n=5\,000\times1{,}03^n (intérêts composés). Un placement qui rapporte 150150 € par an, lui, donne Cn=5 000+150nC_n=5\,000+150n (intérêts simples, suite arithmétique).

7. Python

def terme(n):
    u = 3
    for k in range(n):
        u = 2*u - 1
    return u

def seuil(q, u0, s):
    n = 0
    u = u0
    while u < s:
        u = u * q
        n = n + 1
    return n

💡 terme(3) renvoie 17. seuil(1.03, 5000, 10000) renvoie 24 : le capital double au bout de 2424 ans.

Sommes de termes et listes de termes. Pour calculer une somme u0+u1+⋯+unu_0+u_1+\dots+u_n ou garder tous les termes, on utilise une variable qui s'accumule ou une liste à laquelle on ajoute chaque terme avec append.

def somme(n):
    u = 3
    S = u
    for k in range(n):
        u = 2*u - 1
        S = S + u
    return S

def premiers_termes(n):
    u = 3
    L = [u]
    for k in range(n):
        u = 2*u - 1
        L.append(u)
    return L

💡 somme(3) renvoie 34 (c'est 3+5+9+173+5+9+17). premiers_termes(4) renvoie [3, 5, 9, 17, 33] : le terme u2u_2 est L[2], qui vaut 9.

8. Les 10 pépites du chapitre

  1. un+1≠un+1u_{n+1}\neq u_n+1 : c'est le terme suivant.
  2. Arithmétique : un+1−unu_{n+1}-u_n constante. Géométrique : un+1un\dfrac{u_{n+1}}{u_n} constant.
  3. Terme général : un=u0+nru_n=u_0+nr ou un=u0qnu_n=u_0q^n (avec upu_p si tu ne pars pas de u0u_0).
  4. Nombre de termes dans une somme : dernier rang −- premier rang +1+1.
  5. Somme arithmétique : nombre de termes ×\times moyenne du premier et du dernier.
  6. Somme géométrique : 1−qnombre de termes1−q\dfrac{1-q^{\text{nombre de termes}}}{1-q} (avec q≠1q\neq1).
  7. Sens de variation : signe de un+1−unu_{n+1}-u_n.
  8. Hausse de t %t\,\% : multiplier par 1+t1001+\dfrac t{100}.
  9. Seuil : algorithme avec while, ou logarithmes plus tard.
  10. Vérifie avec n=0n=0 ou n=1n=1.

Démonstrations au programme

Le programme officiel demande de savoir démontrer les quatre formules ci-dessous. Chaque preuve est courte : retiens l'idée plutôt que les lignes.

Terme général d'une suite arithmétique. Si uk+1−uk=ru_{k+1}-u_k=r pour tout kk, on additionne ces égalités pour kk de 00 à n−1n-1 :

(u1−u0)+(u2−u1)+⋯+(un−un−1)=n r(u_1-u_0)+(u_2-u_1)+\dots+(u_n-u_{n-1})=n\,r

Tous les termes intermédiaires se simplifient : il reste un−u0=nru_n-u_0=nr, donc un=u0+nru_n=u_0+nr. □\square

Terme général d'une suite géométrique. Si uk+1=q uku_{k+1}=q\,u_k pour tout kk, on applique cette relation de proche en proche :

u1=q u0,u2=q u1=q2u0,u3=q u2=q3u0, …u_1=q\,u_0,\qquad u_2=q\,u_1=q^2u_0,\qquad u_3=q\,u_2=q^3u_0,\ \dots

À chaque étape, on multiplie par un facteur qq de plus : après nn étapes, il y a nn facteurs qq, donc un=u0 qnu_n=u_0\,q^n. □\square (On ne divise jamais, donc la preuve vaut aussi si u0=0u_0=0.)

Somme 1+2+⋯+n1+2+\dots+n. On écrit la somme SS deux fois, dans l'ordre puis à l'envers :

S=1+2+…+nS=n+(n−1)+…+1\begin{array}{rcccccccc} S&=&1&+&2&+&\dots&+&n\\ S&=&n&+&(n-1)&+&\dots&+&1\end{array}

Chaque colonne vaut n+1n+1 et il y a nn colonnes : 2S=n(n+1)2S=n(n+1), donc S=n(n+1)2S=\dfrac{n(n+1)}2. □\square

Somme 1+q+q2+⋯+qn1+q+q^2+\dots+q^n avec q≠1q\neq1. On multiplie la somme SS par qq :

S−qS=(1+q+⋯+qn)−(q+q2+⋯+qn+1)=1−qn+1S-qS=(1+q+\dots+q^n)-(q+q^2+\dots+q^{n+1})=1-q^{n+1}

Donc S(1−q)=1−qn+1S(1-q)=1-q^{n+1} et S=1−qn+11−qS=\dfrac{1-q^{n+1}}{1-q}. □\square

Exemple. 1+2+4+⋯+210=1−2111−2=20471+2+4+\dots+2^{10}=\dfrac{1-2^{11}}{1-2}=2047.

Introduction intuitive de la notion de limite

Sur des exemples, on observe ce que deviennent les termes unu_n quand nn devient très grand. Trois situations se présentent :

  • les termes se rapprochent d'un nombre ℓ\ell : on parle de limite finie ℓ\ell ;
  • les termes deviennent de plus en plus grands (limite +∞+\infty) ou de plus en plus négatifs (limite −∞-\infty) ;
  • les termes ne se stabilisent pas : il n'y a pas de limite.

En Première, il n'y a pas de définition formelle : on conjecture une limite avec un tableau de valeurs, un graphique ou un script, sur des exemples.

  • un=1nu_n=\dfrac1n (pour n⩾1n\geqslant1) : les termes se rapprochent de 00. La limite est 00.
  • un=n2u_n=n^2 : les termes deviennent de plus en plus grands. La limite est +∞+\infty.
  • un=10−3nu_n=10-3n : les termes sont de plus en plus négatifs. La limite est −∞-\infty.
  • un=(−1)nu_n=(-1)^n : les termes valent tour à tour 11 et −1-1. Il n'y a pas de limite.
  • un=qnu_n=q^n : avec la calculatrice, 1,1n1{,}1^n devient de plus en plus grand (limite +∞+\infty) et 0,5n0{,}5^n se rapproche de 00 (limite 00).

Exemple. u0=0u_0=0 et un+1=0,5 un+3u_{n+1}=0{,}5\,u_n+3. Les termes valent 33, 4,54{,}5, 5,255{,}25, 5,6255{,}625... et se rapprochent de 66 : on conjecture que la limite est 66.

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Nuage de points de u₀=0, uₙ₊₁=0,5uₙ+3 : les points se rapprochent de la droite y = 6

💡 Astuce. Pour conjecturer une limite, calcule un terme très loin (n=50n=50, n=100n=100) avec la calculatrice ou Python. Si les valeurs se stabilisent, tu tiens la limite ; si elles explosent, c'est +∞+\infty.

Lien avec les fonctions affines et la fonction exponentielle

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Suite géométrique vₙ = 2ⁿ : les points suivent une courbe de plus en plus raide
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Suite arithmétique uₙ = 3 + 2n : les points sont alignés
  • Une suite arithmétique de raison rr a ses points (n ; un)(n\,;\,u_n) alignés sur la droite d'équation y=u0+rxy=u_0+rx (fonction affine).
  • Une suite géométrique de raison q>0q>0 a ses points (n ; un)(n\,;\,u_n) sur la courbe de la fonction x↦u0 qxx\mapsto u_0\,q^x (fonction exponentielle, vue au chapitre 5).

Exemple. un=3+2nu_n=3+2n : les points (0 ; 3)(0\,;\,3), (1 ; 5)(1\,;\,5), (2 ; 7)(2\,;\,7) sont sur la droite y=2x+3y=2x+3. La suite vn=2nv_n=2^n a ses points (0 ; 1)(0\,;\,1), (1 ; 2)(1\,;\,2), (2 ; 4)(2\,;\,4) sur une courbe qui grimpe de plus en plus vite.

Exemples d'algorithmes : factorielle, Fibonacci, Syracuse

La factorielle n!=1×2×⋯×nn!=1\times2\times\dots\times n :

def factorielle(n):
    r = 1
    for k in range(2, n + 1):
        r = r * k
    return r

print(factorielle(5))   # affiche 120
print(factorielle(10))  # affiche 3628800

La suite de Fibonacci (F0=0F_0=0, F1=1F_1=1, Fn+2=Fn+1+FnF_{n+2}=F_{n+1}+F_n) : on construit la liste des premiers termes. On part de [0, 1] et, à chaque tour, on ajoute la somme des deux termes précédents.

def fibonacci(n):
    F = [0, 1]
    for k in range(2, n + 1):
        F.append(F[k - 1] + F[k - 2])
    return F

print(fibonacci(9))
# affiche [0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34]

Le terme F9F_9 est le dernier élément de la liste : fibonacci(9)[9] vaut 34.

La suite de Syracuse : si unu_n est pair, un+1=un2u_{n+1}=\dfrac{u_n}2 ; sinon un+1=3un+1u_{n+1}=3u_n+1. On conjecture que tout départ finit par 11, mais personne ne l'a démontré. Le script renvoie la liste des termes jusqu'à 11.

def syracuse(n):
    L = [n]
    while n != 1:
        if n % 2 == 0:
            n = n // 2
        else:
            n = 3 * n + 1
        L.append(n)
    return L

print(syracuse(7))
# affiche [7, 22, 11, 34, 17, 52, 26, 13, 40, 20, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1]

💡 Astuce. Le nombre d'étapes de Syracuse est len(syracuse(n)) - 1 : pour n=7n=7, la liste a 1717 éléments, donc il y a 1616 étapes.

Un peu d'histoire des suites

  • Bien avant d'être étudiées pour elles-mêmes, les suites apparaissent pour approcher des nombres réels : Archimède encadre π\pi, et le calcul de racines carrées est associé à Héron d'Alexandrie.
  • Elles apparaissent aussi dans des problèmes de comptage : les lapins de Fibonacci, dont la suite ci-dessus porte le nom.
  • Oresme calcule des sommes de termes de suites géométriques au XIVe^{\text{e}} siècle : c'est le type de somme 1+q+⋯+qn1+q+\dots+q^n démontré plus haut.
  • Passer d'un mode de génération à un autre (motif, récurrence, formule explicite) et lire un nuage de points (fiche 1).
  • Des algorithmes : termes, sommes, seuil, listes de termes (fiches 1 à 3).

9. Ce qui peut tomber en contrôle et au bac

  • Calculer des termes, étudier le sens de variation (fiche 1).
  • Reconnaître et exploiter une suite arithmétique (fiche 2).
  • Reconnaître et exploiter une suite géométrique, sommes et modélisation en pourcentage (fiche 3).
  • Des problèmes concrets et des algorithmes de seuil (exercices de synthèse).

Tu as maintenant le cours. Passe aux trois fiches, aux exercices de synthèse, puis au Guide de rédaction du chapitre.

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

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