Terminale Spé Maths / Chapitre 1 : Suites
Fiche 3 : comparaison et convergence
Huit exercices sur les outils qui servent quand le calcul direct ne suffit pas : comparer, encadrer, montrer qu'une suite converge sans connaître sa limite. Dans toute la fiche, les limites sont prises quand .
Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac : inégalité écrite avec son rang, théorème nommé, hypothèses vérifiées.
💡 Quel outil choisir ?
- Ta suite contient un sinus, un cosinus ou un : encadre-le avec , puis utilise la comparaison ou les gendarmes.
- Tu veux montrer que : trouve une suite plus petite qui tend vers (une minoration).
- Tu veux montrer que : trouve une suite plus grande qui tend vers (une majoration).
- Tu veux une limite finie : encadre par deux suites qui tendent toutes les deux vers (les gendarmes).
- La suite est monotone et tu ne sais pas calculer la limite : utilise le théorème de convergence monotone.
⚠️ Les pièges classiques
- Pour montrer , une majoration ne sert à rien : ne dit pas que .
- Les gendarmes exigent la même limite pour les deux suites qui encadrent.
- Une suite croissante et majorée converge, mais pas forcément vers son majorant.
- « Bornée » ne veut pas dire « convergente ».
- Oublier de préciser « à partir d'un certain rang » quand l'encadrement ne vaut que pour , par exemple.
😄 Les gendarmes, eux, ne laissent jamais passer un suspect qui n'est pas coincé entre deux suites de même limite.
Exercice 1 (★) : montrer qu'une suite tend vers
1.
2.
✏️ Correction de l'exercice 1
Question 1
Pour tout , , donc et . Or . D'après le théorème de comparaison :
✅
Question 2
Pour tout , , donc . Or . D'après le théorème de comparaison :
✅
Astuce : on minore pour montrer . On remplace le terme gênant (, ) par sa pire valeur.
Exercice 2 (★★) : montrer qu'une suite tend vers
1.
2.
✏️ Correction de l'exercice 2
Question 1
Pour tout , , donc et . Or . D'après le théorème de comparaison :
✅
Question 2
Pour tout , , donc et . Or . D'après le théorème de comparaison :
✅
Astuce : ici on majore, car on veut montrer que la suite descend vers .
Exercice 3 (★★) : le théorème des gendarmes
Déterminer la limite de chaque suite () :
1.
2.
3.
✏️ Correction de l'exercice 3
Question 1
Pour tout , . En divisant par : . Or . D'après le théorème des gendarmes :
✅
Question 2
Pour tout , . En divisant par : . Or . D'après le théorème des gendarmes :
✅
Question 3
Pour tout , , donc . En divisant par :
On a , qui tend vers par quotient. Les deux suites qui encadrent tendent vers . D'après le théorème des gendarmes :
✅
Rédaction : écris toujours les trois éléments : l'encadrement (avec son rang), les deux limites égales, la conclusion « d'après le théorème des gendarmes ».
Exercice 4 (★★★) : une somme encadrée
Pour , on pose . Cette somme contient termes.
Déterminer la limite de .
✏️ Correction de l'exercice 4
Chaque terme est encadré
Soit et un entier tel que . Alors , tous ces nombres étant strictement positifs. Donc :
La somme est encadrée
En additionnant ces inégalités pour allant de à ( termes) :
Les limites
.
avec , donc .
Les deux suites qui encadrent tendent vers . D'après le théorème des gendarmes :
✅
Astuce : pour encadrer une somme de termes, majore chaque terme par le plus grand, minore-le par le plus petit, puis multiplie par .
Exercice 5 (★★★) : une somme qui diverge
Pour , on pose . Montrer que .
✏️ Correction de l'exercice 5
Soit et un entier tel que . Alors (la racine carrée est croissante), donc .
En additionnant ces inégalités pour allant de à :
Or . D'après le théorème de comparaison :
✅
À retenir : une somme dont les termes tendent vers peut quand même tendre vers : chaque terme est petit, mais on en ajoute de plus en plus.
Exercice 6 (★★) : convergence d'une suite croissante et majorée
Pour , on pose .
1. Montrer que est croissante.
2. Montrer que, pour tout entier , .
3. En déduire que pour tout , puis que converge.
✏️ Correction de l'exercice 6
Question 1
Pour tout , .
✅ La suite est strictement croissante.
Question 2
Pour tout entier :
Comme , on a .
✅ Donc .
Question 3
Soit . En additionnant l'inégalité de la question 2 pour allant de à :
(télescopage). Donc . Cette inégalité est aussi vraie pour car .
✅ pour tout .
La suite est croissante (question 1) et majorée par . D'après le théorème de convergence monotone :
✅ converge.
Pour info : on peut montrer que sa limite vaut , mais ce n'est pas au programme.
Exercice 7 (★★) : une suite décroissante et minorée
On définit et, pour tout , .
1. Démontrer par récurrence que, pour tout , .
2. Montrer que est décroissante.
3. En déduire que converge, puis déterminer sa limite.
✏️ Correction de l'exercice 7
Question 1
Soit la propriété : « ».
Initialisation. : est vraie.
Hérédité. Soit fixé tel que (hypothèse de récurrence). La fonction racine carrée est croissante sur , donc , c'est-à-dire : est vraie.
Conclusion. est vraie et est héréditaire.
✅ Donc pour tout (en particulier, la suite est bien définie).
Question 2
Pour tout :
D'après la question 1, , donc et . Comme , on a .
✅ La suite est décroissante.
Question 3
La suite est décroissante et minorée par . D'après le théorème de convergence monotone :
✅ elle converge vers un réel , avec (passage à la limite dans l'inégalité ).
La fonction racine carrée est continue sur , donc, en passant à la limite dans , on obtient .
Cela entraîne , soit , donc ou .
Comme , est exclu.
✅ Donc .
Astuce : la minoration par sert deux fois : à montrer la décroissance, puis à éliminer la solution .
Exercice 8 (★) : repérer les erreurs
Voici quatre raisonnements d'élèves. Dans chaque cas, repère l'erreur et propose un contre-exemple ou une correction.
1. « ; et , donc . »
2. « est croissante et majorée par , donc sa limite est . »
3. « est bornée, donc elle converge. »
4. « , et , donc . »
✏️ Correction de l'exercice 8
Raisonnement 1
Une majoration ne permet pas de conclure à : le théorème de comparaison pour demande une minoration. Rédaction correcte : pour tout , , donc , et ; par comparaison, .
Raisonnement 2
Une suite croissante et majorée converge (théorème de convergence monotone), mais sa limite n'est pas forcément le majorant. Contre-exemple : est croissante, majorée par , et sa limite est .
Raisonnement 3
Une suite bornée ne converge pas forcément. Contre-exemple : est bornée () mais ne converge pas.
Raisonnement 4
Le théorème des gendarmes exige que et aient la même limite.
Contre-exemple : si est pair et si est impair, avec et .
On a , et , mais n'a pas de limite.
🎯 Ce qui peut tomber au bac
- Une limite avec un , un ou un (exercices 1 à 3).
- Un encadrement qui sert à trouver la limite d'une suite (exercices 3 et 4).
- Une suite croissante majorée ou décroissante minorée (exercices 6 et 7), presque toujours dans un exercice avec .
- Un vrai/faux qui teste les pièges de l'exercice 8.
QCM : vérifie tes acquis
10 questions, une seule bonne réponse chacune. Choisis une réponse : la correction s'affiche tout de suite. Ton score est enregistré dans Mon espace.
Question 1 sur 10
Si pour tout , quelle est la limite de ?
Théorème de comparaison : et donnent .
Question 2 sur 10
Quelle est la limite de ?
: théorème des gendarmes.
Question 3 sur 10
Une suite croissante et majorée :
Théorème de convergence monotone : elle converge vers une limite inférieure ou égale à tout majorant.
Question 4 sur 10
Quelle est la limite de ?
et par gendarmes.
Question 5 sur 10
Une suite croissante et non majorée :
Si elle est croissante et non majorée, elle dépasse tout réel à partir d'un certain rang.
Question 6 sur 10
Dans l'exercice 3, quelle est la limite de ?
est encadrée entre et , deux suites qui tendent vers : gendarmes.
Question 7 sur 10
Dans l'exercice 6, quelle inégalité permet de majorer ?
C'est l'inégalité clé de l'exercice 6, qui permet par télescopage de montrer .
Question 8 sur 10
Dans l'exercice 6, on en déduit que la suite :
Croissante (somme de termes positifs) et majorée par : le théorème de convergence monotone s'applique.
Question 9 sur 10
Dans l'exercice 7, avec et , quelle est la limite de ?
est décroissante et minorée par : elle converge vers vérifiant , donc .
Question 10 sur 10
Dans l'exercice 8, quelle est l'erreur du raisonnement « est croissante et majorée par , donc sa limite est » ?
Le théorème de convergence monotone donne l'existence d'une limite , sans garantir (contre-exemple : ).
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.
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