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Terminale Spé Maths / Chapitre 1 : Suites / Annales du bac

Bac 2023, Amérique du Sud : exercice 3

27 septembre 2023 · jour 2 · 5 points Python

Soit la suite (un)\left(u_n\right) définie par u0=0u_0 = 0 et, pour tout n∈Nn \in \mathbb{N},

un+1=5un−8n+6.u_{n+1} = 5u_n - 8n + 6.

  1. Calculer u1u_1 et u2u_2.

  2. Soit nn un entier naturel.

    Recopier et compléter la fonction { suite_u} d'argument { n} ci-dessous, écrite en langage Python, afin qu'elle retourne la valeur de unu_n.

    def suite_u(n) :
      u = …
      for i in range(1,n+1) :
      |  u= …
      return u
    1. Démontrer par récurrence que, pour tout n∈N,un⩾2nn \in \mathbb{N} ,\quad u_n \geqslant 2n.

    2. En déduire la limite de la suite (un)\left(u_n\right).

    3. Soit p∈N∗p \in \mathbb{N}^*. Pourquoi peut-on affirmer qu'il existe au moins un entier n0n_0 tel que, pour tout entier naturel nn vérifiant, n⩾n0n \geqslant n_0,  un⩾10pu_n \geqslant 10^p ?

  3. Démontrer que la suite (un)\left(u_n\right) est croissante.

  4. On considère la suite (vn)\left(v_n\right), définie pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, par vn=un−2n+1v_n = u_n - 2n + 1.

    1. En dessous de la fonction { suite_u} précédente, on a écrit la fonction { suite_v} ci-dessous :

      def suite_v(n):
        L =[]
        for i in range(n+1) :
        |  L.append(suite_u(i)-2*i+1)
        return L

      La commande « L.append » permet de rajouter, en dernière position, un élément dans la liste L.

      Lorsqu'on saisit { suite_v(5)} dans la console, on obtient l'affichage suivant :

      >>>>>> suite_v(5)
      [1, 5, 25, 125, 625, 3125][1,\, 5,\, 25,\, 125,\, 625,\, 3125]

      Conjecturer, pour tout entier naturel nn, l'expression de vn+1v_{n+1} en fonction de vnv_n.

      Démontrer cette conjecture.

    2. En déduire, pour tout entier naturel nn, la forme explicite de unu_n en fonction de nn.

Voir le corrigé

Question 1.

On applique la relation de récurrence un+1=5un−8n+6u_{n+1}=5u_n-8n+6 avec u0=0u_0=0 :

u1=5u0−8×0+6=5×0−0+6=6,u2=5u1−8×1+6=5×6−8+6=28.\begin{aligned} u_1&=5u_0-8\times 0+6=5\times 0-0+6=6,\\ u_2&=5u_1-8\times 1+6=5\times 6-8+6=28. \end{aligned}

Donc u1=6u_1=6 et u2=28u_2=28.

Réponse : u1=6u_1=6 et u2=28u_2=28.

Question 2.

Dans la boucle, l'indice ii prend les valeurs 1,2,…,n1{,}2,\dots,n. À l'étape ii, la variable u contient ui−1u_{i-1} et doit devenir uiu_i.

La relation de récurrence appliquée au rang i−1i-1 donne :

ui=5ui−1−8(i−1)+6.u_i=5u_{i-1}-8(i-1)+6.

La variable u doit être initialisée à u0=0u_0=0.

La fonction complétée est :

def suite_u(n) :
    u = 0
    for i in range(1,n+1) :
        u = 5*u-8*(i-1)+6
    return u

Vérification pour n=2n=2 : u vaut 00, puis 5×0−8×0+6=65\times 0-8\times 0+6=6 pour i=1i=1, puis 5×6−8×1+6=285\times 6-8\times 1+6=28 pour i=2i=2. La fonction renvoie bien u2=28u_2=28.

Donc u = 0 avant la boucle et u = 5*u-8*(i-1)+6 dans la boucle.

Question 3. a)

On démontre par récurrence la propriété P(n)P(n) : « un⩾2nu_n\geqslant 2n ».

Initialisation. On a u0=0u_0=0 et 2×0=02\times 0=0, donc u0⩾2×0u_0\geqslant 2\times 0 : P(0)P(0) est vraie.

Hérédité. Soit kk un entier naturel fixé tel que P(k)P(k) soit vraie, c'est-à-dire uk⩾2ku_k\geqslant 2k (hypothèse de récurrence). Montrons P(k+1)P(k+1), c'est-à-dire uk+1⩾2(k+1)u_{k+1}\geqslant 2(k+1).

On multiplie l'hypothèse de récurrence par 5>05>0, ce qui conserve le sens de l'inégalité :

5uk⩾10k.5u_k\geqslant 10k.

On ajoute −8k+6-8k+6 à chaque membre :

5uk−8k+6⩾10k−8k+6,5u_k-8k+6\geqslant 10k-8k+6,
soit
uk+1⩾2k+6.u_{k+1}\geqslant 2k+6.

Or 2k+6⩾2k+22k+6\geqslant 2k+2, donc :

uk+1⩾2k+2=2(k+1).u_{k+1}\geqslant 2k+2=2(k+1).

Donc P(k+1)P(k+1) est vraie.

Conclusion. P(0)P(0) est vraie et PP est héréditaire : d'après le principe de récurrence, P(n)P(n) est vraie pour tout entier naturel nn.

Donc, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}, un⩾2nu_n\geqslant 2n.

Question 3. b)

On a, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}, un⩾2nu_n\geqslant 2n (question 3. a)).

De plus lim⁡n→+∞2n=+∞\displaystyle\lim_{n\to+\infty}2n=+\infty.

D'après le théorème de comparaison (une suite minorée à partir d'un certain rang par une suite de limite +∞+\infty a pour limite +∞+\infty) :

lim⁡n→+∞un=+∞.\lim_{n\to+\infty}u_n=+\infty.

Donc la suite (un)\left(u_n\right) a pour limite +∞+\infty.

Réponse : lim⁡n→+∞un=+∞\displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_n=+\infty.

Question 3. c)

Par définition, dire que lim⁡n→+∞un=+∞\displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_n=+\infty signifie que tout intervalle de la forme ]A ;+∞[]A\,;+\infty[, avec AA réel, contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang.

Soit p∈N∗p\in\mathbb{N}^*. On applique cette définition avec A=10pA=10^{p} : il existe un entier naturel n0n_0 tel que, pour tout entier n⩾n0n\geqslant n_0, un>10pu_n>10^{p}, donc en particulier un⩾10pu_n\geqslant 10^{p}.

Donc il existe un entier n0n_0 tel que, pour tout entier naturel n⩾n0n\geqslant n_0, un⩾10pu_n\geqslant 10^{p}.

Question 4.

Pour tout entier naturel nn :

un+1−un=(5un−8n+6)−un=4un−8n+6.\begin{aligned} u_{n+1}-u_n&=\left(5u_n-8n+6\right)-u_n\\ &=4u_n-8n+6. \end{aligned}

D'après la question 3. a), un⩾2nu_n\geqslant 2n, donc 4un⩾8n4u_n\geqslant 8n, d'où :

un+1−un⩾8n−8n+6=6>0.u_{n+1}-u_n\geqslant 8n-8n+6=6>0.

Donc un+1>unu_{n+1}>u_n pour tout nn : la suite (un)\left(u_n\right) est strictement croissante, donc croissante.

Question 5. a)

L'affichage de suite_v(5) donne la liste des termes v0,v1,…,v5v_0,v_1,\dots,v_5 :

v0=1,v1=5,v2=25,v3=125,v4=625,v5=3125.v_0=1,\quad v_1=5,\quad v_2=25,\quad v_3=125,\quad v_4=625,\quad v_5=3125.

Chaque terme est égal à 55 fois le précédent. On conjecture donc :

vn+1=5vnpour tout n∈N.v_{n+1}=5v_n\quad\text{pour tout }n\in\mathbb{N}.

Démonstration. Soit n∈Nn\in\mathbb{N}. Par définition de (vn)\left(v_n\right), vn+1=un+1−2(n+1)+1v_{n+1}=u_{n+1}-2(n+1)+1. On remplace un+1u_{n+1} par son expression :

vn+1=5un−8n+6−2(n+1)+1=5un−8n+6−2n−2+1=5un−10n+5=5(un−2n+1)=5vn.\begin{aligned} v_{n+1}&=5u_n-8n+6-2(n+1)+1\\ &=5u_n-8n+6-2n-2+1\\ &=5u_n-10n+5\\ &=5\left(u_n-2n+1\right)\\ &=5v_n. \end{aligned}

Donc, pour tout entier naturel nn, vn+1=5vnv_{n+1}=5v_n.

Question 5. b)

D'après la question 5. a), la suite (vn)\left(v_n\right) est géométrique de raison 55.

Son premier terme est v0=u0−2×0+1=1v_0=u_0-2\times 0+1=1.

Donc, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} :

vn=v0×5n=5n.v_n=v_0\times 5^{n}=5^{n}.

Or vn=un−2n+1v_n=u_n-2n+1, donc un=vn+2n−1u_n=v_n+2n-1 :

un=5n+2n−1.u_n=5^{n}+2n-1.

Vérification : u0=1+0−1=0u_0=1+0-1=0, u1=5+2−1=6u_1=5+2-1=6 et u2=25+4−1=28u_2=25+4-1=28, valeurs cohérentes avec la question 1.

Donc, pour tout entier naturel nn, un=5n+2n−1u_n=5^{n}+2n-1.

Réponse : un=5n+2n−1u_n=5^{n}+2n-1.

Points clés attendus

  • Récurrence rédigée complètement : initialisation, hérédité avec l'hypothèse de récurrence énoncée, conclusion.

  • Python : identifier que u contient ui−1u_{i-1} au début de l'étape ii, d'où le terme −8(i−1)-8(i-1).

  • Limite : citer le théorème de comparaison, et la définition de la limite +∞+\infty pour la question 3. c).

  • Croissance : étudier le signe de un+1−unu_{n+1}-u_n en utilisant l'inégalité un⩾2nu_n\geqslant 2n.

  • Suite auxiliaire : montrer que vn+1=5vnv_{n+1}=5v_n en factorisant, reconnaître une suite géométrique, puis revenir à unu_n.

Corrigé rédigé par + qu'un prof. Cherche d'abord seul, puis compare avec ta propre rédaction.

Comment t'entraîner

Chronomètre-toi, rédige sur papier comme le jour du bac, puis seulement après regarde le cours. Si tu bloques sur une question, écris « on admet que… » et passe à la suivante.

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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Amérique du Sud, 27 septembre 2023 (jour 2)), ministère de l'Éducation nationale. Énoncé mis en forme pour le web à partir du tapuscrit de l'APMEP (Denis Vergès) ; figures issues des fichiers de l'APMEP. En cas de doute sur un détail, le sujet officiel fait foi.

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