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Terminale Spé Maths / Chapitre 1 : Suites

Suites : le cours

Ce chapitre revient presque chaque année au bac :

  • un raisonnement par récurrence ;
  • une suite définie par une relation de récurrence ;
  • une limite à déterminer ;
  • et souvent une petite question de programmation.

Voici l'essentiel, dans l'ordre où tu en as besoin, avec les astuces qui font gagner des points et les pièges qui en font perdre.

Dans tout le cours, les limites sont prises quand n→+∞n \to +\infty.

🎯 Comment utiliser ce cours

  • Lis une section, puis fais tout de suite les exercices correspondants dans les fiches (indiquées à la fin de chaque partie).
  • Les encadrés 💡 sont des astuces, les encadrés ⚠️ sont des pièges classiques. Note ceux qui te piègent.
  • Si une méthode te semble abstraite, elle sera plus claire après la fiche qui l'utilise.

0. Les rappels indispensables

Une suite peut être définie de façon explicite (un=f(n)u_n = f(n), on calcule unu_n directement) ou par récurrence (un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n), on calcule terme après terme).

Suite arithmétique de raison rr :

un+1=un+retun=u0+nru_{n+1}=u_n+r \qquad\text{et}\qquad u_n=u_0+nr

Suite géométrique de raison qq :

un+1=q unetun=u0×qnu_{n+1}=q\,u_n \qquad\text{et}\qquad u_n=u_0\times q^n

Somme arithmétique : (nombre de termes) ×\times premier terme+dernier terme2\dfrac{\text{premier terme}+\text{dernier terme}}{2}.

Par exemple :

1+2+⋯+n=n(n+1)21+2+\dots+n=\frac{n(n+1)}{2}

Somme géométrique : pour q≠1q\neq 1,

1+q+q2+⋯+qn=1−qn+11−q1+q+q^2+\dots+q^n=\frac{1-q^{n+1}}{1-q}

Sens de variation. Une suite est croissante si un+1≥unu_{n+1}\ge u_n pour tout nn, décroissante si un+1≤unu_{n+1}\le u_n. Quatre méthodes :

  1. Le signe de un+1−unu_{n+1}-u_n : la méthode qui marche presque toujours (pense à factoriser).
  2. Le quotient un+1un\dfrac{u_{n+1}}{u_n} comparé à 1, seulement si tous les termes sont strictement positifs.
  3. Une fonction croissante : si un=f(n)u_n=f(n) avec ff croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, alors (un)(u_n) est croissante.
  4. Une récurrence : on démontre que un≤un+1u_n\le u_{n+1} pour tout nn.

⚠️ Pièges

  • Une suite n'est pas obligatoirement croissante ou décroissante : ((−1)n)\big((-1)^n\big) n'est ni l'une ni l'autre.
  • Dans une somme de k=0k=0 à nn, il y a n+1n+1 termes, pas nn.

💡 Astuce : pour vérifier une formule, teste-la avec n=0n=0 et n=1n=1. Ça prend dix secondes et ça évite des heures de regrets.

1. Le raisonnement par récurrence

Pour démontrer qu'une propriété P(n)P(n) est vraie pour tout entier nn à partir d'un rang n0n_0, on procède en trois temps :

  1. Initialisation : on vérifie que P(n0)P(n_0) est vraie.
  2. Hérédité : on suppose P(k)P(k) vraie pour un entier k≥n0k\ge n_0 fixé (c'est l'hypothèse de récurrence), et on démontre que P(k+1)P(k+1) est vraie.
  3. Conclusion : P(n)P(n) est vraie pour tout entier n≥n0n\ge n_0.

Exemple. Montrons que pour tout n∈Nn\in\N, 3n≥2n+13^n\ge 2n+1.

Initialisation : pour n=0n=0, on a 30=13^0=1 et 2×0+1=12\times 0+1=1. Donc 1≥11\ge 1 : la propriété est vraie.

Hérédité : soit k∈Nk\in\N tel que 3k≥2k+13^k\ge 2k+1. Alors 3k+1=3×3k≥3(2k+1)=6k+33^{k+1}=3\times 3^k\ge 3(2k+1)=6k+3. Or 6k+3≥2k+3=2(k+1)+16k+3\ge 2k+3=2(k+1)+1, car k≥0k\ge 0. Donc 3k+1≥2(k+1)+13^{k+1}\ge 2(k+1)+1.

Conclusion : la propriété est vraie pour tout n∈Nn\in\N.

Les quatre grands types de récurrence au bac :

  • Une formule explicite à démontrer (un=2n+2−3u_n=2^{n+2}-3).
  • Un encadrement (0≤un≤30\le u_n\le 3).
  • Une monotonie (un≤un+1u_n\le u_{n+1}).
  • Une inégalité qui sert à trouver une limite (3n≥2n+13^n\ge 2n+1, qui prouve que 3n→+∞3^n\to+\infty).

💡 Astuces

  • Écris au brouillon ce que tu veux obtenir au rang k+1k+1, puis « fabrique-le » depuis l'hypothèse.
  • Avec une suite définie par récurrence, remplace uku_k par son expression dans uk+1=f(uk)u_{k+1}=f(u_k).
  • Si ff est croissante, appliquer ff à un encadrement le conserve. Si ff est décroissante, l'encadrement se retourne.

⚠️ Pièges

  • Écrire « supposons P(n)P(n) vraie pour tout nn » : c'est ce qu'on veut démontrer.
  • Oublier l'initialisation, ou la faire au mauvais rang.
  • Une hérédité qui n'utilise pas l'hypothèse de récurrence.
  • Oublier la conclusion (elle vaut un point).

😄 Une récurrence sans initialisation, c'est un jeu de dominos où personne ne pousse le premier.

À faire maintenant : la fiche 1 (récurrence).

2. Limite d'une suite

Une suite (un)(u_n) tend vers +∞+\infty si tout intervalle ]A ;+∞[]A\,;+\infty[ contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang.

Elle converge vers un réel ℓ\ell si tout intervalle ouvert contenant ℓ\ell contient tous les termes à partir d'un certain rang.

Une suite qui ne converge pas est dite divergente (elle peut tendre vers ±∞\pm\infty, ou n'avoir aucune limite).

Les limites de référence à connaître par cœur :

  • n→+∞n\to+\infty, n2→+∞n^2\to+\infty et n→+∞\sqrt n\to+\infty ;
  • 1n→0\dfrac1n\to 0, 1n2→0\dfrac1{n^2}\to 0 et 1n→0\dfrac1{\sqrt n}\to 0 ;
  • pour la suite géométrique (qn)(q^n) : si q>1q>1, elle tend vers +∞+\infty ; si −1<q<1-1<q<1, elle tend vers 00 ; si q=1q=1, elle est constante ; si q≤−1q\le -1, elle n'a pas de limite.

Les règles sur les opérations :

  • Une limite finie ajoutée à +∞+\infty donne +∞+\infty ; +∞+∞+\infty+\infty donne +∞+\infty.
  • Un produit de deux limites infinies suit la règle des signes.
  • Un nombre divisé par une quantité qui tend vers ±∞\pm\infty tend vers 00.
  • Un nombre non nul divisé par une quantité qui tend vers 00 donne ±∞\pm\infty : regarde le signe (0+0^+ ou 0−0^-).

⚠️ Pièges

  • « 10=+∞\dfrac10=+\infty » sans regarder le signe : si un=(−1)nnu_n=\dfrac{(-1)^n}{n}, alors 1un\dfrac1{u_n} n'a pas de limite.
  • Une suite bornée n'est pas forcément convergente ((−1)n(-1)^n).
  • Une suite qui tend vers +∞+\infty n'est pas forcément croissante.

💡 Astuce : pour une limite, identifie d'abord le terme dominant : la plus grande puissance de nn, ou la plus grande base pour les qnq^n.

3. Calculer une limite

Les opérations sur les limites (somme, produit, quotient) fonctionnent tant que la situation est déterminée.

Quatre formes sont indéterminées : « +∞−∞+\infty-\infty », « 0×∞0\times\infty », « ∞∞\dfrac\infty\infty » et « 00\dfrac00 ». Pour les lever :

  • Polynôme ou fraction : factoriser par le terme de plus haut degré. Pour une fraction rationnelle, on compare les degrés : si le numérateur a le plus petit degré, la limite est 00 ; à degrés égaux, c'est le quotient des coefficients dominants ; sinon, on obtient ±∞\pm\infty.
  • Racines carrées : multiplier par la quantité conjuguée, avec (a−b)(a+b)=a2−b2(a-b)(a+b)=a^2-b^2.
  • Puissances : factoriser (ou diviser) par la plus grande base, par exemple 3n−2n=3n(1−(23)n)3^n-2^n=3^n\left(1-\left(\dfrac23\right)^n\right).

Exemple.

3n2−5n+1n2+2=n2(3−5n+1n2)n2(1+2n2)=3−5n+1n21+2n2\frac{3n^2-5n+1}{n^2+2}=\frac{n^2\left(3-\frac5n+\frac1{n^2}\right)}{n^2\left(1+\frac2{n^2}\right)}=\frac{3-\frac5n+\frac1{n^2}}{1+\frac2{n^2}}

Le numérateur tend vers 33 et le dénominateur vers 11, donc la limite est 33.

Exemple avec une racine.

n2+n−n=(n2+n)−n2n2+n+n=nn2+n+n=11+1n+1⟶12\sqrt{n^2+n}-n=\frac{(n^2+n)-n^2}{\sqrt{n^2+n}+n}=\frac{n}{\sqrt{n^2+n}+n}=\frac{1}{\sqrt{1+\frac1n}+1}\longrightarrow\frac12

⚠️ Pièges

  • Écrire « ∞−∞=0\infty-\infty=0 » au lieu de transformer l'expression.
  • Écrire n2+n−n→0\sqrt{n^2+n}-n\to 0 parce que « n2=n\sqrt{n^2}=n ». La vraie limite est 12\dfrac12.
  • Oublier de citer la règle utilisée (« par somme », « par produit », « par quotient »).

😄 Un « ∞−∞\infty-\infty » qu'on ne transforme pas, c'est un exercice sans conclusion : le correcteur, lui, voit ce qui manque.

À faire maintenant : la fiche 2 (limites).

4. Théorèmes de comparaison

  • Si un≥vnu_n\ge v_n à partir d'un certain rang et si vn→+∞v_n\to+\infty, alors un→+∞u_n\to+\infty.
  • Si un≤vnu_n\le v_n à partir d'un certain rang et si vn→−∞v_n\to-\infty, alors un→−∞u_n\to-\infty.
  • Théorème des gendarmes : si vn≤un≤wnv_n\le u_n\le w_n à partir d'un certain rang et si vnv_n et wnw_n ont la même limite ℓ\ell, alors un→ℓu_n\to\ell.

💡 Astuces

  • Pour montrer +∞+\infty, cherche une minoration par une suite simple (nn, n2n^2, 2n−12n-1…).
  • Pour montrer −∞-\infty, cherche une majoration.
  • Un sin⁡n\sin n, un cos⁡n\cos n ou un (−1)n(-1)^n dans l'expression ? Encadre-le entre −1-1 et 11, et applique les gendarmes.

⚠️ Pièges

  • Une majoration ne prouve jamais +∞+\infty : un≤n+1u_n\le n+1 ne dit rien.
  • Les gendarmes exigent la même limite des deux côtés.
  • L'encadrement doit être vrai à partir d'un certain rang : précise-le.

😄 Les gendarmes ne laissent passer que ceux qui sont coincés entre deux suites de même limite.

À faire maintenant : la fiche 3 (comparaison et convergence).

5. Suites monotones

  • Toute suite croissante et majorée converge.
  • Toute suite décroissante et minorée converge.
  • Toute suite croissante et non majorée tend vers +∞+\infty (et toute suite décroissante et non minorée tend vers −∞-\infty).
  • Toute suite convergente est bornée.

Attention : ce théorème dit que la suite converge, pas vers quelle valeur. La limite n'est pas forcément le majorant. Si (un)(u_n) est croissante et majorée par MM, on sait seulement que sa limite ℓ\ell vérifie u0≤ℓ≤Mu_0\le\ell\le M.

💡 Astuce : une suite croissante a une limite supérieure ou égale à son premier terme. Cette remarque sert à éliminer une solution parasite d'une équation ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell).

⚠️ Piège : « majorée » seule ne suffit pas, il faut aussi la croissance.

6. Suites arithmético-géométriques : un+1=a un+bu_{n+1}=a\,u_n+b

C'est le modèle des évolutions « en pourcentage avec un ajout fixe » (population, placement avec versement). La méthode :

  1. Trouver ℓ\ell tel que ℓ=aℓ+b\ell=a\ell+b, soit ℓ=b1−a\ell=\dfrac{b}{1-a} (pour a≠1a\neq 1).
  2. Poser vn=un−ℓv_n=u_n-\ell : la suite (vn)(v_n) est géométrique de raison aa, car vn+1=a un+b−ℓ=a(un−ℓ)=a vnv_{n+1}=a\,u_n+b-\ell=a(u_n-\ell)=a\,v_n.
  3. En déduire vn=v0×anv_n=v_0\times a^n, puis un=ℓ+(u0−ℓ)×anu_n=\ell+(u_0-\ell)\times a^n.
  4. Conclure : si −1<a<1-1<a<1, un→ℓu_n\to\ell. Si a>1a>1, la suite diverge (sauf si u0=ℓu_0=\ell).

💡 Traduire un énoncé :

  • « augmente de 3 % » veut dire « ×1,03\times 1{,}03 » ;
  • « baisse de 10 % » veut dire « ×0,9\times 0{,}9 » ;
  • « puis on ajoute 50 » se traduit par « +50+50 ».

Résultat : un+1=0,9 un+50u_{n+1}=0{,}9\,u_n+50.

⚠️ Pièges

  • La raison de (vn)(v_n) est aa, pas ℓ\ell.
  • v0=u0−ℓv_0=u_0-\ell, pas u0u_0.
  • Vérifie toujours ta formule finale avec n=1n=1 : c'est le meilleur détecteur d'erreurs de signe.

À faire maintenant : la fiche 4 (suites arithmético-géométriques).

7. Suites définies par un+1=f(un)u_{n+1}=f(u_n)

C'est le grand classique du bac. La méthode tient en quatre étapes :

  1. Par récurrence, on montre un encadrement de unu_n, puis le sens de variation.
  2. On en déduit que la suite converge, grâce au théorème des suites monotones.
  3. Si ff est continue, la limite ℓ\ell vérifie ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell).
  4. On résout cette équation et on garde la solution compatible avec l'encadrement.

💡 Astuces

  • L'escalier. Trace la courbe y=f(x)y=f(x) et la droite y=xy=x. Place u0u_0 sur l'axe des abscisses, monte jusqu'à la courbe pour lire u1u_1, va sur la droite y=xy=x pour le ramener sur l'axe, et recommence. Tu vois tout de suite si la suite monte, descend, et vers quoi elle va. C'est une conjecture : il faut ensuite la démontrer.
  • Pour la monotonie : le signe de un+1−unu_{n+1}-u_n, souvent après une factorisation ou une quantité conjuguée. Ou bien une récurrence.
  • Si la question précédente t'a donné l'encadrement, sers-t'en pour la suivante.

⚠️ Pièges

  • Écrire ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell) avant d'avoir prouvé la convergence.
  • Garder les deux solutions de ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell) : une seule est compatible avec l'encadrement.
  • Se servir de la croissance de ff alors que ff est décroissante (les inégalités se retournent).
  • Oublier de vérifier que unu_n reste dans le domaine de ff (positif sous une racine, dénominateur non nul).
  • Avec ff décroissante, la suite n'est en général pas monotone : le sujet te dit alors d'admettre la convergence.

😄 Poser ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell) sans avoir montré que la suite converge, c'est chercher où atterrit un avion qui n'a jamais décollé.

À faire maintenant : la fiche 5 (suites récurrentes).

8. Algorithmique et Python

Trois scripts reviennent tout le temps : calculer un terme (boucle for), trouver un seuil (boucle while) et calculer une somme. Ils sont détaillés dans la fiche 6.

💡 Astuces

  • Exécute le script à la main sur les deux ou trois premières étapes avec un tableau de valeurs.
  • Pour un seuil « un≥Au_n\ge A », la boucle tourne tant que u < A, et on renvoie le compteur n.

⚠️ Pièges

  • Le seuil renvoie nn, pas unu_n.
  • Lis les symboles au caractère près : < n'est pas <=.

À faire maintenant : la fiche 6 (algorithmique et Python).

9. La check-list du jour J

  • Lis tout l'exercice avant de commencer. Les questions s'enchaînent : un résultat démontré sert pour les suivantes.
  • Si tu bloques, admets et avance. Tu as le droit d'utiliser le résultat d'une question que tu n'as pas su faire, en écrivant « on admet que… ». Tu récupères les points des questions suivantes.
  • Justifie chaque limite en nommant la règle (somme, produit, quotient, comparaison, gendarmes).
  • Vérifie avec n=0n=0 ou n=1n=1 chaque formule que tu établis.
  • Rédige la conclusion de chaque récurrence et chaque limite, avec une phrase complète.
  • Garde du temps pour Python : c'est souvent la question la plus courte et la plus « cadeau ».

😄 Et si tu doutes : respire, relis la question, et commence par les données. Un exercice de suites se découpe presque toujours en petits morceaux faisables.

Tu as maintenant tout le cours. Enchaîne avec les six fiches d'exercices, puis avec les exercices type bac.

Complément du programme : trois démonstrations sur les limites

Le programme officiel demande de savoir démontrer les propriétés suivantes. Elles reposent toutes sur la même idée : à partir d'un certain rang.

Une suite croissante et non majorée tend vers +∞+\infty.

Démonstration. Soit AA un réel. Comme (un)(u_n) n'est pas majorée, AA n'est pas un majorant : il existe un rang NN tel que uN>Au_N>A.

Comme la suite est croissante, pour tout n⩾Nn\geqslant N, un⩾uN>Au_n\geqslant u_N>A.

Donc tous les termes dépassent AA à partir du rang NN : lim⁡un=+∞\lim u_n=+\infty. □\square

Théorème de comparaison. Si un⩾vnu_n\geqslant v_n à partir d'un certain rang et lim⁡vn=+∞\lim v_n=+\infty, alors lim⁡un=+∞\lim u_n=+\infty.

Démonstration. Soit AA un réel. Comme vn→+∞v_n\to+\infty, il existe NN tel que vn>Av_n>A pour tout n⩾Nn\geqslant N.

Pour ces nn (et à partir du rang de la comparaison), un⩾vn>Au_n\geqslant v_n>A. Donc lim⁡un=+∞\lim u_n=+\infty. □\square

Théorème des gendarmes. Si un⩽vn⩽wnu_n\leqslant v_n\leqslant w_n à partir d'un certain rang et lim⁡un=lim⁡wn=ℓ\lim u_n=\lim w_n=\ell, alors lim⁡vn=ℓ\lim v_n=\ell.

Démonstration. Soit ε>0\varepsilon>0. À partir d'un certain rang, unu_n et wnw_n appartiennent à l'intervalle ]ℓ−ε ; ℓ+ε[]\ell-\varepsilon\,;\,\ell+\varepsilon[.

Alors ℓ−ε<un⩽vn⩽wn<ℓ+ε\ell-\varepsilon<u_n\leqslant v_n\leqslant w_n<\ell+\varepsilon : vnv_n est dans le même intervalle. Donc lim⁡vn=ℓ\lim v_n=\ell. □\square

La démonstration de lim⁡qn=+∞\lim q^n=+\infty pour q>1q>1 (inégalité de Bernoulli) est dans la fiche 2.

Complément du programme : approcher ee avec un algorithme

On peut approcher ee avec la somme ∑k=0n1k!=1+1+12+16+…\displaystyle\sum_{k=0}^{n}\dfrac1{k!}=1+1+\dfrac12+\dfrac16+\dots : les termes décroissent très vite.

def e_approche(n):
    somme, terme = 1.0, 1.0
    for k in range(1, n + 1):
        terme = terme / k      # terme vaut 1/k!
        somme = somme + terme
    return somme

print(e_approche(10))   # affiche 2.7182818011463845

La valeur exacte de ee est 2,718281828…2{,}718281828\dots : avec seulement 1010 termes, on obtient déjà 77 décimales correctes.

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

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