Suites définies par récurrence - problèmes standard

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Ce fichier d'exercices fait suite à la vidéo suites : petite étude (lien Youtube).

Plusieurs méthodes différentes, vues ou non dans la vidéo, sont présentées ici, pour attaquer les suites du type un+1=f(un).

Table des matières

Énoncé 2

Méthode 1
avec une récurrence
. 3

Méthode 2
avec le signe de f(x)-x
sur une suite arithmético-géométrique. 4

Méthode 3
avec les variations de f
sur une suite homographique. 5

Méthode 4
avec une suite auxiliaire
sur une suite arithmético-géométrique. 7

Suites arithmético-géométriques, une autre situation : les « toiles d'araignées ». 8

Énoncé

  1. Méthode 1
    avec une récurrence
    .

    On définit la suite (un) par : un+1=4un+2 et u0=0

    1. Calculer u1,u2 (en calcul mental).

    2. Démontrer que pour tout n : un-23.

    3. Démontrer par récurrence sur n que pour tout n : un+1<un.

    4. Supposons que (un) converge vers un réel , donner la valeur de .

    5. (un) est-elle convergente ? divergente ?

  2. Méthode 2
    avec le signe de f(x)-x
    sur une suite arithmético-géométrique.

    On définit la suite (un) par : un+1=un3+6 et u0=27.

    1. Calculer u1,u2 (en calcul mental).

    2. Démontrer que pour tout n : un9.

    3. Donner le signe de f(x)-x suivant x, sachant que f est définie sur par : f(x)=x3+6.

    4. Démontrer sans récurrence que pour tout n : un+1<un.

    5. Supposons que (un) converge vers un réel , donner la valeur de .

    6. (un) est-elle convergente ? divergente ?

  3. Méthode 3
    avec les variations de f
    sur une suite homographique.

    On considère la suite u0=0 et un+1=4un+3un+2.

    1. Calculer mentalement u1,u2.

    2. Vérifier que la suite est toujours défine, i.e. que un ne vaut jamais -2.

      Indication : vérifier par une récurrence simple que pour tout n : un0.

    3. Donner le tableau de variations sur + de la fonction f définie par f(x)=4x+3x+2.

    4. Montrer par récurrence que pour tout entier n, on a 0un3.

    5. Montrer par récurrence que la suite (un) est croissante.

      Indication : montrer que un+1un par récurrence en utilisant le fait que f.

    6. La suite (un) est-elle convergente ou divergente ? Si elle converge, déterminer sa limite.

  4. Méthode 4
    avec une suite auxiliaire
    sur une suite arithmético-géométrique.

    On définit la suite (un) par : un+1=0.4×un+6 et u0=-10.

    1. Calculer mentalement u1,u2.

    2. Pour tout n0 on pose vn=un-10. Calculer mentalement v0,v1,v2.

    3. Démontrer que (vn) est une suite géométrique et donner son terme général.

    4. En déduire le terme général de (un), puis les variations et la convergence de (un).

  5. Suites arithmético-géométriques, une autre situation : les « toiles d'araignées ».

    On définit la suite (un) par : un+1=-un3+16 et u0=21.

    1. Calculer mentalement u1,u2.

    2. Démontrer que un>12un+1<12.

    3. Étudier comme précédemment la suite (vn) définie par vn=un-12 et conclure.

Méthode 1
avec une récurrence
.

On définit la suite (un) par : un+1=4un+2 et u0=0

  1. Calculer u1,u2 (en calcul mental).

    u1=4×u0+2=2 ;

    u2=4×2+2=10 ;

    u3=4×10+2=42.

    Remarque 1. Pour avoir les autres valeurs sur la calculatrice, taper 0 puis ×4+2 puis jusqu'à obtenir le rang voulu.

  2. Démontrer que pour tout n : un>-23.

  3. Démontrer par récurrence sur n que pour tout n : un+1>un.

  4. Supposons que (un) converge vers un réel , donner la valeur de .

    Alors vérifie 4+2==-23.

  5. (un) est-elle convergente ? divergente ?

    La supposition que nous avons faite à la question précédente est fausse, car il est impossible d'avoir à la fois :

    Donc la suite (un) est divergente.

    Une suite croissante qui ne converge pas est non majorée : c'est du bon sens, car, étant croissante, si elle était non majorée, elle serait convergente (toute suite croissante majorée converge).

    Remarque 2. La phrase précédente s'appelle « contraposée ». C'est un résultat de logique qui s'énonce ainsi : si l'on est sûr que AB alors on peut être sur que non  Bnon  A.

    Exemple : « être supérieur à 2 » « être supérieur à 1 ». Donc (contraposée) : « être inférieur à 1 » « être inférieur à 2 ».

    Ici, en supposant (un) croissante, le théorème du cours indique que majorée convergente. La contraposée du théorème indique que divergente non majorée (divergente est le contraire de convergente et le mot majorée ne possède pas de contraire dans le dictionnaire).

    La contraposée d'un théorème est toujours vraie.

    Et une suite croissante non majorée a pour limite + : ceci se démontre assez techniquement si votre enseignant vous a fait la définition de « tendre vers + » avec la notation ε. Je ne le fais pas ici, on l'admet.

Méthode 2
avec le signe de f(x)-x
sur une suite arithmético-géométrique.

On définit la suite (un) par : un+1=un3+6 et u0=27.

  1. Calculer u1,u2 (en calcul mental).

    u1=u03+6=273+6=9+6=15.

    u2=u13+6=153+6=5+6=11.

  2. Démontrer que pour tout n : un9.

  3. Donner le signe de f(x)-x suivant x, sachant que f est définie sur par : f(x)=x3+6.

    f(x)-x=x3+6-x=-2x3+183=2(9-x)3 donc

    x - 9 + f(x)-x + 0 - .

  4. Démontrer sans récurrence que pour tout n : un+1<un.

    Étudions le signe de un+1-un. On a un+1-un=f(un)-un.

    Mais on sait que pour tout rang n on a un9, or dans [9,+[ on a f(x)-x0 comme l'atteste le tableau de la question précédente.

    Ainsi, pour tout rang n on a f(un)-un0.

    Ceci prouve finalement que un+1-un0 donc la suite (un) est décroissante.

  5. Supposons que (un) converge vers un réel , donner la valeur de .

    Le théorème de notre cours affirme que si (un) converge vers alors est un point fixe de f, c'est-à-dire que f()=. Pour appliquer ce théorème, je me rappelle toutefois qu'il faut vérifier que la fonction f est continue, ce qui est avéré ici puisque f est une fonction affine.

    Ainsi je suis amené à résoudre l'équation 3+6= qui est une équation du premier degré à une inconnue, maîtrisée depuis le collège. Elle a pour solution =9.

  6. (un) est-elle convergente ? divergente ?

    (un) est décroissante minorée par 9 d'après les questions précédentes.

    Un autre théorème de mon cours afirme qu'elle est donc convergente.

    Sa seule limite possible étant 9, elle est convergente vers 9.

Méthode 3
avec les variations de f
sur une suite homographique.

On considère la suite u0=0 et un+1=4un+3un+2.

  1. Calculer mentalement u1,u2.

    u1=4×0+30+2=32=1.5.

    u2=4×32+332+2=93.5=187.

  2. Vérifier que la suite est toujours défine, i.e. que un ne vaut jamais -2.

    Indication : vérifier par une récurrence simple que pour tout n : un0.

    C'est une récurrence immédiate car u0=0 et un0{ 4un+30 un+20 .4un+3un+20.

  3. Donner le tableau de variations sur + de la fonction f définie par f(x)=4x+3x+2.

    f'(x)=(4x+3x+2)'=4(x+2)-(4x+3)×1(x+2)2=5(x+2)2 toujours positif sur + (la valeur interdite n'est pas dans +) donc f sur +.

    Remarque 3.

    1. On remarque pour la suite que un+1=f(un) avec f(x)=4x+3x+2.

    2. L'intervalle + proposé est pertinent puisqu'on ne fait agir f que sur un or tous les un sont positifs.

    3. On ne peut pas affirmer que f croissante sur tout entier car en -2 (qui est la valeur interdite), la fonction f fait une sorte de « saut » de + à - (Figure 1)

    Figure 1. homographique-pb-suite.png

  4. Montrer par récurrence que pour tout entier n, on a 0un3.

  5. Montrer par récurrence que la suite (un) est croissante.

    Indication : montrer que un+1un par récurrence en utilisant le fait que f.

  6. La suite (un) est-elle convergente ou divergente ? Si elle converge, déterminer sa limite.

    La suite (un) est croissante. D'autre part, elle est majorée par 3 (puisque tous les un sont dans [0,3]), et donc la suite (un) est CV.

    Pour connaître la limite j'applique le théorème qui affirme que :

    Remarque 5. Les valeurs de telles que f()= sont appelées points fixes de f. Si la suite (un) CV c'est donc forcément vers un point fixe de f.

    Ici je résous donc =4+3+2(+2)=4+32-2λ-3=0{-1;3}.

    Vu que la suite (un) est coincée dans [0,3] elle ne peut pas converger vers -1.

    Donc =3.

Remarque 6. Pour la question de la monotonie on pouvait procéder directement :

un+1-un=un+1=-un=-un(un+2)un+2=4un+3-un(un+2)un+2=-(un)2+2un+3un+2.

On aimerait savoir si la quantité -(un)2+2un+3 est positive.

Puisque de toutes façons, la quantité un+2 est toujours positive d'après la question b.

Le quotient un+1-un est donc tojours du signe de -(un)2+2un+3.

Alors, étudions le trinome -x2+2x+3 et résolvons -x2+2x+30. On trouve les racines -1 et 3.

Donc -x2+2x+30 dans [-1,3] et là 𝔹𝕀𝔾𝕆 car un est toujours dans [0,3].

Et donc on a toujours -(un)2+2un+30 donc un+1-un0.

Méthode 4
avec une suite auxiliaire
sur une suite arithmético-géométrique.

On définit la suite (un) par : un+1=0.4×un+6 et u0=-10.

  1. Calculer mentalement u1,u2.

    u1=0.4×u0+6=0.4×(-10)+6=-4+6=2 ;

    u2=0.4×u1+6=0.4×2+6=6.8.

  2. Pour tout n0 on pose vn=un-10. Calculer mentalement v0,v1,v2.

    v0=u0-10=-20 ;

    v1=u1-10=-8 ;

    v2=u2-10=6.8-10=-3.2.

  3. Démontrer que (vn) est une suite géométrique et donner son terme général.

    vn+1=un+1-10 car la formule vn=un-10 est vraie en tout rang, y compris en n+1.

    vn+1=0.4×un+6-10 car on sait que un+1=0.4×un+6.

    vn+1=0.4un-4 car on simplifie, tout simplement.

    vn+1=0.4(un-10) par simple factorisation.

    vn+1=0.4×vn car on se souvient que vn=un-10.

    On a démontré que (vn) est géométrique de raison 0.4 et donc vn=v0×0.4n.

    On remplace et donc vn=-20×0.4n puisque v0=-20.

    Je vérifie : la formule donne v1=-20×0.4=-8 c'est bon.

  4. En déduire le terme général de (un), puis les variations et la convergence de (un).

    On a pour tout n la relation : un=vn+10.

    Ce qui donne un=10-20×0.4n. Je vérifie : la formule donne u1=10-20×0.4=10-8=2 c'est bon.

    Maintenant, les variations et la convergence :

Suites arithmético-géométriques, une autre situation : les « toiles d'araignées ».

On définit la suite (un) par : un+1=-un3+16 et u0=21.

  1. Calculer mentalement u1,u2.

    u1=-213+16=-7+16=9 ;

    u2=-93+16=-3+16=13.

  2. Démontrer que un>12un+1<12.

    un>12un3>4-un3<-4un+1<-4+16=12.

  3. Étudier comme précédemment la suite (vn) définie par vn=un-12 et conclure.

    vn+1=un+1-12=-un3+16-12=-un3+4=-13(un-12)=-13vn donc (vn) géométrique de raison -13.

    Ainsi, on a pour tout n la formule vn=v0×(-13)n or v0=u0-12=9.

    D'où le terme général un=vn+12 un=9×(-13)n+12 .

    Vérification : u1=9×(-13)1+12=-3+12=9 c'est ok.

    On a alors (un) convergente vers 12 car -13]0,1[(-13)nn0.

    Cette suite converge en alternant à gauche et à droite de la limite 12.