Chapitres de Maths complémentaires

Suites numériques, modèles discrets

  1. 1

    Exercice 1

    Facile

    Déterminer, en justifiant, la limite de chacune des suites suivantes, définies pour tout entier naturel nn :

    un=(0,8)n,vn=2×(1,25)n,wn=5×(34)n,tn=73×(0,9)n.u_n = (0{,}8)^n, \qquad v_n = 2\times(1{,}25)^n, \qquad w_n = 5\times\left(\tfrac{3}{4}\right)^n, \qquad t_n = 7 - 3\times(0{,}9)^n .
    Voir un indice

    Une suite géométrique de raison q>0q>0 tend vers 00 si 0q<10\le q<1 et vers ++\infty si q>1q>1. Pour tnt_n, utilise ce résultat puis les opérations sur les limites.

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    • un=(0,8)nu_n=(0{,}8)^n : suite géométrique de raison q=0,8q=0{,}8 avec 00,8<10\le 0{,}8<1, donc limn+un=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = 0.
    • vn=2×(1,25)nv_n=2\times(1{,}25)^n : raison q=1,25>1q=1{,}25>1, donc (1,25)n+(1{,}25)^n\to+\infty, et comme 2>02>0, limn+vn=+\displaystyle\lim_{n\to+\infty} v_n = +\infty.
    • wn=5×(34)nw_n=5\times\left(\tfrac{3}{4}\right)^n : raison q=34q=\tfrac34 avec 034<10\le \tfrac34<1, donc (34)n0\left(\tfrac34\right)^n\to 0 et limn+wn=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty} w_n = 0.
    • tn=73×(0,9)nt_n=7-3\times(0{,}9)^n : la raison 0,90{,}9 vérifie 00,9<10\le 0{,}9<1 donc (0,9)n0(0{,}9)^n\to 0. Par opérations sur les limites, limn+tn=73×0=7\displaystyle\lim_{n\to+\infty} t_n = 7-3\times 0 = 7.
  2. 2

    Exercice 2

    Facile

    Pour tout entier naturel nn, on pose

    Sn=k=0n(12)k=1+12+14++(12)n,Tn=k=0n(23)k.S_n = \sum_{k=0}^{n}\left(\tfrac{1}{2}\right)^k = 1+\tfrac12+\tfrac14+\cdots+\left(\tfrac12\right)^n, \qquad T_n = \sum_{k=0}^{n}\left(\tfrac{2}{3}\right)^k .
    1. Exprimer SnS_n et TnT_n en fonction de nn.
    2. En déduire les limites de (Sn)(S_n) et de (Tn)(T_n).
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    Pour q1q\neq 1, k=0nqk=1qn+11q\displaystyle\sum_{k=0}^{n} q^k = \frac{1-q^{\,n+1}}{1-q}. Si 0q<10\le q<1, alors qn+10q^{\,n+1}\to 0.

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    1. Avec q=12q=\tfrac12 :

    Sn=1(12)n+1112=2(1(12)n+1)=2(12)n.S_n = \frac{1-\left(\tfrac12\right)^{n+1}}{1-\tfrac12} = 2\left(1-\left(\tfrac12\right)^{n+1}\right) = 2 - \left(\tfrac12\right)^{n}.

    Avec q=23q=\tfrac23 :

    Tn=1(23)n+1123=3(1(23)n+1).T_n = \frac{1-\left(\tfrac23\right)^{n+1}}{1-\tfrac23} = 3\left(1-\left(\tfrac23\right)^{n+1}\right).

    2. Comme 012<10\le \tfrac12<1, (12)n0\left(\tfrac12\right)^{n}\to 0, donc limn+Sn=2\displaystyle\lim_{n\to+\infty} S_n = 2. De même (23)n+10\left(\tfrac23\right)^{n+1}\to 0, donc limn+Tn=3×(10)=3\displaystyle\lim_{n\to+\infty} T_n = 3\times(1-0)=3.

  3. 3

    Exercice 3

    Facile

    On considère les suites définies pour tout entier n1n\ge 1 par

    an=2+(1)nn,bn=3×(0,5)n+42(0,5)n.a_n = 2 + \frac{(-1)^n}{n}, \qquad b_n = \frac{3\times(0{,}5)^n + 4}{\,2 - (0{,}5)^n\,}.
    1. Montrer, à l'aide du théorème des gendarmes, que (an)(a_n) converge et préciser sa limite.
    2. Déterminer la limite de (bn)(b_n) à l'aide des opérations sur les limites.
    Voir un indice

    Pour ana_n : encadre (1)n(-1)^n par 1-1 et 11. Pour bnb_n : (0,5)n0(0{,}5)^n\to 0, calcule alors la limite du numérateur et du dénominateur.

    Voir la correction

    1. Pour tout n1n\ge 1, 1(1)n1-1\le (-1)^n\le 1, donc en divisant par n>0n>0 :

    1n(1)nn1n,d’ouˋ21nan2+1n.-\frac{1}{n}\le \frac{(-1)^n}{n}\le \frac{1}{n}, \qquad\text{d'où}\qquad 2-\frac{1}{n}\le a_n \le 2+\frac{1}{n}.

    Or limn+(21n)=2\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\left(2-\tfrac1n\right)=2 et limn+(2+1n)=2\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\left(2+\tfrac1n\right)=2. D'après le théorème des gendarmes, limn+an=2\displaystyle\lim_{n\to+\infty} a_n = 2.

    2. La raison 0,50{,}5 vérifie 00,5<10\le 0{,}5<1, donc (0,5)n0(0{,}5)^n\to 0. Ainsi le numérateur tend vers 3×0+4=43\times 0+4=4 et le dénominateur vers 20=202-0=2\neq 0. Par quotient,

    limn+bn=42=2.\lim_{n\to+\infty} b_n = \frac{4}{2}=2.
  4. 4

    Exercice 4

    Facile

    Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=0,5x+2f(x)=0{,}5\,x+2. On considère la suite (un)(u_n) définie par

    u0=0etun+1=f(un)  pour tout nN.u_0 = 0 \qquad\text{et}\qquad u_{n+1}=f(u_n)\ \text{ pour tout } n\in\mathbb{N}.
    1. Calculer u1u_1, u2u_2 et u3u_3 (valeurs exactes).
    2. Dans un repère, tracer la droite d'équation y=f(x)y=f(x) et la droite d'équation y=xy=x, puis représenter les termes u0,u1,u2,u3u_0,u_1,u_2,u_3 sur l'axe des abscisses (« construction en escalier »). Conjecturer le comportement de (un)(u_n).
    3. Résoudre l'équation f(x)=xf(x)=x et interpréter le résultat.
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    Pour la construction en escalier : partant de unu_n sur l'axe des abscisses, on monte jusqu'à la courbe (y=f(un)=un+1y=f(u_n)=u_{n+1}) puis on se déplace horizontalement jusqu'à la droite y=xy=x pour reporter un+1u_{n+1} sur l'axe des abscisses. Le point d'intersection des deux droites est la limite conjecturée.

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    1. u1=f(0)=0,5×0+2=2u_1=f(0)=0{,}5\times 0+2=2 ; u2=f(2)=0,5×2+2=3u_2=f(2)=0{,}5\times 2+2=3 ; u3=f(3)=0,5×3+2=3,5u_3=f(3)=0{,}5\times 3+2=3{,}5.

    2. On trace la droite y=0,5x+2y=0{,}5x+2 (pente 0,50{,}5, ordonnée à l'origine 22) et la droite y=xy=x. En partant de u0=0u_0=0 sur l'axe des abscisses, la construction en escalier donne successivement u1=2u_1=2, u2=3u_2=3, u3=3,5u_3=3{,}5… : les termes croissent et semblent se rapprocher de 44. On conjecture que (un)(u_n) est croissante et converge vers 44.

    3. f(x)=x    0,5x+2=x    2=0,5x    x=4f(x)=x \iff 0{,}5x+2=x \iff 2=0{,}5x \iff x=4. La droite y=f(x)y=f(x) et la droite y=xy=x se coupent au point d'abscisse 44, ce qui est cohérent avec la conjecture.

    Pour le démontrer rigoureusement, montrons par récurrence que pour tout nn, 0un<40\le u_n<4. C'est vrai pour n=0n=0. Si un<4u_n<4, alors un+1=0,5un+2<0,5×4+2=4u_{n+1}=0{,}5u_n+2<0{,}5\times4+2=4 : la propriété est héréditaire, donc un<4u_n<4 pour tout nn.

    De plus, un+1un=20,5un>0u_{n+1}-u_n=2-0{,}5u_n>0 car un<4u_n<4 : la suite (un)(u_n) est donc strictement croissante. Étant croissante et majorée par 44, elle converge, vers une limite 4\ell\le 4 (théorème de convergence monotone). Comme ff est continue, \ell vérifie =f()\ell=f(\ell), soit =4\ell=4 d'après le calcul ci-dessus. Ainsi limn+un=4\displaystyle\lim_{n\to+\infty} u_n = 4.

  5. 5

    (Économie -- remboursement d'un emprunt.)

    Moyen

    Une personne emprunte 1000010\,000 euros. Chaque année, la banque majore la somme due de 2%2\,\% d'intérêts, puis l'emprunteur rembourse 15001\,500 euros. On note D0=10000D_0=10\,000 le montant emprunté et DnD_n la dette (en euros) après la nn-ième année.

    1. Justifier que, pour tout nNn\in\mathbb{N}, Dn+1=1,02Dn1500D_{n+1}=1{,}02\,D_n-1500.
    2. Déterminer le réel \ell tel que la suite constante égale à \ell vérifie cette relation.
    3. On pose vn=Dnv_n=D_n-\ell. Montrer que (vn)(v_n) est géométrique ; en déduire DnD_n en fonction de nn.
    4. Au bout de combien d'années la dette est-elle entièrement remboursée ?
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    Pour la 2., résoudre =1,021500\ell=1{,}02\,\ell-1500. Pour la 4., chercher le plus petit nn tel que Dn0D_n\le 0, en résolvant (1,02)n7500065000(1{,}02)^n\ge \tfrac{75000}{65000} à l'aide du logarithme.

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  6. 6

    (Physique -- refroidissement de Newton, modèle discret.)

    Moyen

    Un objet à 90C90\,^{\circ}\mathrm{C} est placé dans une pièce à 20C20\,^{\circ}\mathrm{C}. Toutes les minutes, l'écart de température entre l'objet et la pièce diminue de 20%20\,\%. On note θn\theta_n la température de l'objet (en C^{\circ}\mathrm{C}) après nn minutes, avec θ0=90\theta_0=90.

    1. Justifier que θn+1=0,8θn+4\theta_{n+1}=0{,}8\,\theta_n+4 pour tout nNn\in\mathbb{N}.
    2. On pose wn=θn20w_n=\theta_n-20. Montrer que (wn)(w_n) est géométrique et exprimer θn\theta_n en fonction de nn.
    3. Déterminer limn+θn\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\theta_n et interpréter physiquement.
    4. Au bout de combien de minutes la température de l'objet devient-elle inférieure ou égale à 30C30\,^{\circ}\mathrm{C} ?
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    L'écart à la pièce est θn20\theta_n-20 ; il est multiplié par 0,80{,}8 à chaque minute, donc θn+120=0,8(θn20)\theta_{n+1}-20=0{,}8(\theta_n-20). Pour la 4., résoudre (0,8)n17(0{,}8)^n\le \tfrac17.

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  7. 7

    (Biologie -- croissance d'une population, modèle de Malthus.)

    Moyen

    Une population de bactéries compte initialement 20002000 individus. On observe que, chaque heure, la population augmente de 5%5\,\%. On note p0=2000p_0=2000 et pnp_n le nombre de bactéries après nn heures.

    1. Exprimer pnp_n en fonction de nn.
    2. Déterminer limn+pn\displaystyle\lim_{n\to+\infty} p_n. Ce modèle est-il réaliste à long terme ?
    3. Au bout de combien d'heures la population a-t-elle au moins doublé ?
    4. Ce modèle suppose une ressource illimitée. Citer un phénomène biologique qui, en pratique, limiterait cette croissance.
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    Une augmentation de 5%5\,\% correspond à une multiplication par 1,051{,}05 : (pn)(p_n) est géométrique. Pour la 3., résoudre (1,05)n2(1{,}05)^n\ge 2.

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  8. 8

    (Généralisation des suites arithmético-géométriques.)

    Difficile

    Soit aa et bb deux réels avec a1a\neq 1. On considère une suite (un)(u_n) vérifiant, pour tout nNn\in\mathbb{N},

    un+1=aun+b.u_{n+1}=a\,u_n+b.
    1. Montrer qu'il existe un unique réel \ell tel que =a+b\ell=a\ell+b, et l'exprimer en fonction de aa et bb.
    2. On pose vn=unv_n=u_n-\ell. Montrer que (vn)(v_n) est géométrique de raison aa.
    3. En déduire l'expression générale : un=+(u0)anu_n=\ell+(u_0-\ell)\,a^n.
    4. Discuter le comportement de (un)(u_n) selon la valeur de aa, pour a>0a>0 : cas 0<a<10<a<1, cas a=1a=1 exclu, cas a>1a>1. Que se passe-t-il si u0=u_0=\ell ?
    Voir un indice

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  9. 9

    (Le flocon de Koch : périmètre infini, aire finie.)

    Difficile

    On part d'un triangle équilatéral de côté 11 (étape 00). À chaque étape, on remplace le tiers central de chaque segment par les deux autres côtés d'un petit triangle équilatéral pointant vers l'extérieur. On note PnP_n le périmètre et AnA_n l'aire de la figure obtenue à l'étape nn. On rappelle que l'aire d'un triangle équilatéral de côté cc vaut 34c2\dfrac{\sqrt3}{4}\,c^2.

    1. À chaque étape, chaque côté est remplacé par 44 segments de longueur 13\tfrac13 du côté précédent. En déduire PnP_n en fonction de nn, puis limn+Pn\displaystyle\lim_{n\to+\infty} P_n.
    2. À l'étape k1k\ge 1, on ajoute 3×4k13\times 4^{\,k-1} petits triangles de côté (13)k\left(\tfrac13\right)^k. Montrer que l'aire ajoutée à l'étape kk vaut 3434(49)k\dfrac{\sqrt3}{4}\cdot\dfrac{3}{4}\left(\dfrac{4}{9}\right)^{k}.
    3. En déduire AnA_n puis limn+An\displaystyle\lim_{n\to+\infty} A_n. Conclure sur le paradoxe périmètre/aire.
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