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

Bac 2024, Métropole : exercice 3

20 juin 2024 · jour 2 · sujet dévoilé · 5 points Python

Soit aa un nombre réel strictement supérieur à 1.

On considère la suite (un)\left(u_n\right) définie par u0=au_0 = a et, pour tout entier naturel nn :

un+1=un2−2un+2.u_{n+1} = u_n^2 - 2u_n + 2.

On admet que pour tout entier naturel nn,  un>1u_n > 1.

L'objectif de cet exercice est d'étudier la suite (un)\left(u_n\right) pour différentes valeurs du nombre réel aa.

Partie A : étude de la suite (un)\left(u_n\right) dans le cas 1<a<21 < a < 2

    1. Montrer que, pour tout entier naturel nn, on a : un+1−2=un(un−2)u_{n+1} - 2 = u_n\left(u_n - 2\right).

    2. Montrer que, pour tout entier naturel nn, on a : un+1−un=(un−1)(un−2)u_{n+1} - u_n = \left(u_n - 1\right)\left(u_n - 2\right).

  1. Dans cette question, on pourra utiliser les égalités établies dans la question précédente.

    1. En utilisant un raisonnement par récurrence démontrer que, pour tout entier naturel n:un<2n : u_n < 2.

    2. Montrer que la suite (un)\left(u_n\right) est convergente et déterminer sa limite.

Partie B : étude dans le cas particulier a=2a = 2


  1. On donne ci-contre la fonction u écrite en langage Python.

    Déterminer les valeurs renvoyées par le programme lorsque l'on saisit u(2,1) et u(2,2) dans la console Python.

    def u(a,n) :
             u=a
             for k in range(n) :
                   u=u**2-2*u+2
             return u
  2. Quelle conjecture peut-on formuler concernant la suite (un)\left(u_n\right) dans le cas où a=2a = 2 ?

    On admettra ce résultat sans démonstration.

Partie C : étude dans le cas général

  1. On considère la suite (vn)\left(v_n\right) définie, pour tout entier naturel nn, par vn=ln⁡(un−1)v_n = \ln \left(u_n - 1\right).

    1. Montrer que la suite (vn)\left(v_n\right) est une suite géométrique de raison 2 dont on précisera le premier terme en fonction de aa.

    2. En déduire que, pour tout entier naturel n, un=1+e2n×ln⁡(a−1)n,\, u_n = 1 + \mathrm{e}^{2^n \times \ln (a-1)}.

  2. Déterminer, suivant les valeurs du réel aa strictement supérieur à 1, la limite de la suite (un)\left(u_n\right).

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Partie A

Question 1. a)

Soit nn un entier naturel. On a

un+1−2=un2−2un+2−2=un2−2un=un(un−2).u_{n+1}-2=u_n^2-2u_n+2-2=u_n^2-2u_n=u_n\left(u_n-2\right).

Donc, pour tout entier naturel nn, un+1−2=un(un−2)u_{n+1}-2=u_n\left(u_n-2\right).

Question 1. b)

Soit nn un entier naturel. On a

un+1−un=un2−2un+2−un=un2−3un+2.u_{n+1}-u_n=u_n^2-2u_n+2-u_n=u_n^2-3u_n+2.

Par ailleurs, en développant,

(un−1)(un−2)=un2−2un−un+2=un2−3un+2.\left(u_n-1\right)\left(u_n-2\right)=u_n^2-2u_n-u_n+2=u_n^2-3u_n+2.

Donc, pour tout entier naturel nn, un+1−un=(un−1)(un−2)u_{n+1}-u_n=\left(u_n-1\right)\left(u_n-2\right).

Question 2. a)

Soit P(n)\mathcal{P}(n) la propriété : un<2u_n<2. Démontrons par récurrence que P(n)\mathcal{P}(n) est vraie pour tout entier naturel nn.

Initialisation. On a u0=au_0=a et 1<a<21<a<2 dans cette partie, donc u0<2u_0<2 : P(0)\mathcal{P}(0) est vraie.

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

D'après la question 1. a),

uk+1−2=uk(uk−2).u_{k+1}-2=u_k\left(u_k-2\right).

On sait que uk>1u_k>1 (résultat admis dans l'énoncé), donc uk>0u_k>0.

D'après l'hypothèse de récurrence, uk−2<0u_k-2<0.

Le produit d'un réel strictement positif et d'un réel strictement négatif est strictement négatif, donc uk+1−2<0u_{k+1}-2<0, c'est-à-dire uk+1<2u_{k+1}<2 : P(k+1)\mathcal{P}(k+1) est vraie.

Conclusion. P(0)\mathcal{P}(0) est vraie et P\mathcal{P} est héréditaire : d'après le principe de récurrence, pour tout entier naturel nn, un<2u_n<2.

Question 2. b)

Sens de variation. Pour tout entier naturel nn, on a un>1u_n>1 (admis) et un<2u_n<2 (question précédente). Donc

un−1>0etun−2<0.u_n-1>0\qquad\text{et}\qquad u_n-2<0.

D'après la question 1. b), un+1−un=(un−1)(un−2)u_{n+1}-u_n=\left(u_n-1\right)\left(u_n-2\right) est le produit d'un réel strictement positif et d'un réel strictement négatif, donc un+1−un<0u_{n+1}-u_n<0.

La suite (un)\left(u_n\right) est donc strictement décroissante.

Convergence. La suite (un)\left(u_n\right) est décroissante et minorée par 11. D'après le théorème de la limite monotone (une suite décroissante et minorée converge), elle converge vers une limite ℓ\ell réelle. Comme un>1u_n>1 pour tout nn, on a ℓ⩾1\ell\geqslant 1 par passage à la limite dans l'inégalité.

Valeur de la limite. Posons g(x)=x2−2x+2g(x)=x^2-2x+2, de sorte que un+1=g(un)u_{n+1}=g\left(u_n\right). La fonction gg est polynomiale, donc continue sur R\mathbb{R}. La suite (un)\left(u_n\right) converge vers ℓ\ell, donc (un+1)\left(u_{n+1}\right) converge aussi vers ℓ\ell et (g(un))\left(g(u_n)\right) converge vers g(ℓ)g(\ell). Par unicité de la limite,

ℓ=ℓ2−2ℓ+2  ⟺  ℓ2−3ℓ+2=0  ⟺  (ℓ−1)(ℓ−2)=0.\ell=\ell^2-2\ell+2\iff \ell^2-3\ell+2=0\iff(\ell-1)(\ell-2)=0.

Donc ℓ=1\ell=1 ou ℓ=2\ell=2.

La suite est décroissante, donc un⩽u0=a<2u_n\leqslant u_0=a<2 pour tout nn, d'où ℓ⩽a<2\ell\leqslant a<2. Donc ℓ≠2\ell\neq 2, et par conséquent ℓ=1\ell=1.

Donc la suite (un)\left(u_n\right) est convergente et sa limite est 11.

Réponse : lim⁡n→+∞un=1\lim\limits_{n\to+\infty}u_n=1.

Partie B

Question 1.

La fonction u(a,n) initialise u à a, puis applique nn fois l'instruction u=u**2-2*u+2 : elle renvoie donc le terme unu_n de la suite de premier terme u0=au_0=a.

Pour a=2a=2 : u0=2u_0=2 et

u1=22−2×2+2=4−4+2=2.u_1=2^2-2\times 2+2=4-4+2=2.

L'appel u(2,1) effectue une seule fois l'instruction et renvoie u1=2u_1=2.

L'appel u(2,2) effectue deux fois l'instruction : u2=22−2×2+2=2u_2=2^2-2\times 2+2=2.

Donc le programme renvoie 22 pour u(2,1) et 22 pour u(2,2).

Réponse : u(2,1) renvoie 22 et u(2,2) renvoie 22.

Question 2.

Les valeurs u0=u1=u2=2u_0=u_1=u_2=2 conduisent à conjecturer que, pour a=2a=2, la suite (un)\left(u_n\right) est constante, égale à 22.

Partie C

Question 1. a)

Pour tout entier naturel nn, on a un>1u_n>1 (admis), donc un−1>0u_n-1>0 : le réel vn=ln⁡(un−1)v_n=\ln\left(u_n-1\right) est bien défini.

Soit nn un entier naturel. On a

un+1−1=un2−2un+2−1=un2−2un+1=(un−1)2.u_{n+1}-1=u_n^2-2u_n+2-1=u_n^2-2u_n+1=\left(u_n-1\right)^2.

Comme un−1>0u_n-1>0, on peut utiliser la propriété ln⁡(x2)=2ln⁡x\ln\left(x^2\right)=2\ln x valable pour x>0x>0 :

vn+1=ln⁡(un+1−1)=ln⁡((un−1)2)=2ln⁡(un−1)=2vn.v_{n+1}=\ln\left(u_{n+1}-1\right)=\ln\left(\left(u_n-1\right)^2\right)=2\ln\left(u_n-1\right)=2v_n.

La suite (vn)\left(v_n\right) est donc géométrique de raison 22. Son premier terme est

v0=ln⁡(u0−1)=ln⁡(a−1).v_0=\ln\left(u_0-1\right)=\ln(a-1).

Donc (vn)\left(v_n\right) est géométrique de raison 22 et de premier terme v0=ln⁡(a−1)v_0=\ln(a-1).

Question 1. b)

Une suite géométrique de raison 22 et de premier terme v0v_0 vérifie vn=v0×2nv_n=v_0\times 2^n pour tout entier naturel nn. Donc

vn=2n×ln⁡(a−1).v_n=2^n\times\ln(a-1).

Par ailleurs, vn=ln⁡(un−1)v_n=\ln\left(u_n-1\right) équivaut à un−1=evnu_n-1=\mathrm{e}^{v_n} (la fonction exponentielle est la réciproque de ln⁡\ln et un−1>0u_n-1>0). Donc

un=1+evn=1+e2n×ln⁡(a−1).u_n=1+\mathrm{e}^{v_n}=1+\mathrm{e}^{2^n\times\ln(a-1)}.

Donc, pour tout entier naturel nn, un=1+e2n×ln⁡(a−1)u_n=1+\mathrm{e}^{2^n\times\ln(a-1)}.

Question 2.

On étudie la limite de un=1+e2nln⁡(a−1)u_n=1+\mathrm{e}^{2^n\ln(a-1)} selon le signe de ln⁡(a−1)\ln(a-1), c'est-à-dire selon la position de a−1a-1 par rapport à 11 (la fonction ln⁡\ln est strictement croissante et ln⁡1=0\ln 1=0). On a lim⁡n→+∞2n=+∞\lim\limits_{n\to+\infty}2^n=+\infty car 2>12>1.

  • Cas 1<a<21<a<2. Alors 0<a−1<10<a-1<1, donc ln⁡(a−1)<0\ln(a-1)<0. Comme 2n→+∞2^n\to+\infty, on a 2nln⁡(a−1)→−∞2^n\ln(a-1)\to-\infty. Par composition avec lim⁡X→−∞eX=0\lim\limits_{X\to-\infty}\mathrm{e}^{X}=0, on obtient e2nln⁡(a−1)→0\mathrm{e}^{2^n\ln(a-1)}\to 0. Donc lim⁡n→+∞un=1\lim\limits_{n\to+\infty}u_n=1, ce qui est cohérent avec la partie A.

  • Cas a=2a=2. Alors a−1=1a-1=1 et ln⁡(a−1)=0\ln(a-1)=0, donc un=1+e0=2u_n=1+\mathrm{e}^0=2 pour tout nn. Donc lim⁡n→+∞un=2\lim\limits_{n\to+\infty}u_n=2, ce qui confirme la conjecture de la partie B.

  • Cas a>2a>2. Alors a−1>1a-1>1, donc ln⁡(a−1)>0\ln(a-1)>0. Comme 2n→+∞2^n\to+\infty, on a 2nln⁡(a−1)→+∞2^n\ln(a-1)\to+\infty. Par composition avec lim⁡X→+∞eX=+∞\lim\limits_{X\to+\infty}\mathrm{e}^{X}=+\infty, on obtient e2nln⁡(a−1)→+∞\mathrm{e}^{2^n\ln(a-1)}\to+\infty. Donc lim⁡n→+∞un=+∞\lim\limits_{n\to+\infty}u_n=+\infty.

Donc la limite de (un)\left(u_n\right) vaut 11 si 1<a<21<a<2, vaut 22 si a=2a=2, et vaut +∞+\infty si a>2a>2.

Réponse : 1<a<21<a<2 : limite 11   a=2a=2 : limite 22   a>2a>2 : limite +∞+\infty.

Points clés attendus

  • Récurrence rédigée complètement : initialisation, hérédité avec « soit kk fixé tel que uk<2u_k<2 », conclusion, en utilisant le signe du produit uk(uk−2)u_k(u_k-2).

  • Citer le théorème de la limite monotone (suite décroissante minorée), puis résoudre ℓ=ℓ2−2ℓ+2\ell=\ell^2-2\ell+2 en justifiant la continuité de la fonction.

  • Éliminer la valeur ℓ=2\ell=2 à l'aide de ℓ⩽u0<2\ell\leqslant u_0<2.

  • Pour vnv_n, vérifier que un−1>0u_n-1>0 avant d'écrire le logarithme, et utiliser ln⁡(x2)=2ln⁡x\ln(x^2)=2\ln x.

  • Dans la partie C, distinguer les trois cas selon le signe de ln⁡(a−1)\ln(a-1) et citer la limite d'une composée.

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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Métropole, 20 juin 2024 (jour 2), sujet dévoilé), ministère de l'Éducation nationale. Énoncé mis en forme pour le web à partir du tapuscrit de l'APMEP (Denis Vergès et François Hache) ; figures issues des fichiers de l'APMEP. En cas de doute sur un détail, le sujet officiel fait foi.

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