Suites numériques, modèles discrets
- 1
Exercice 1
FacileDéterminer, en justifiant, la limite de chacune des suites suivantes, définies pour tout entier naturel :
Voir un indice
Une suite géométrique de raison tend vers si et vers si . Pour , utilise ce résultat puis les opérations sur les limites.
Voir la correction
- : suite géométrique de raison avec , donc .
- : raison , donc , et comme , .
- : raison avec , donc et .
- : la raison vérifie donc . Par opérations sur les limites, .
- 2
Exercice 2
FacilePour tout entier naturel , on pose
- Exprimer et en fonction de .
- En déduire les limites de et de .
Voir un indice
Pour , . Si , alors .
Voir la correction
1. Avec :
Avec :
2. Comme , , donc . De même , donc .
- 3
Exercice 3
FacileOn considère les suites définies pour tout entier par
- Montrer, à l'aide du théorème des gendarmes, que converge et préciser sa limite.
- Déterminer la limite de à l'aide des opérations sur les limites.
Voir un indice
Pour : encadre par et . Pour : , calcule alors la limite du numérateur et du dénominateur.
Voir la correction
1. Pour tout , , donc en divisant par :
Or et . D'après le théorème des gendarmes, .
2. La raison vérifie , donc . Ainsi le numérateur tend vers et le dénominateur vers . Par quotient,
- 4
Exercice 4
FacileSoit la fonction définie sur par . On considère la suite définie par
- Calculer , et (valeurs exactes).
- Dans un repère, tracer la droite d'équation et la droite d'équation , puis représenter les termes sur l'axe des abscisses (« construction en escalier »). Conjecturer le comportement de .
- Résoudre l'équation et interpréter le résultat.
Voir un indice
Pour la construction en escalier : partant de sur l'axe des abscisses, on monte jusqu'à la courbe () puis on se déplace horizontalement jusqu'à la droite pour reporter sur l'axe des abscisses. Le point d'intersection des deux droites est la limite conjecturée.
Voir la correction
1. ; ; .
2. On trace la droite (pente , ordonnée à l'origine ) et la droite . En partant de sur l'axe des abscisses, la construction en escalier donne successivement , , … : les termes croissent et semblent se rapprocher de . On conjecture que est croissante et converge vers .
3. . La droite et la droite se coupent au point d'abscisse , ce qui est cohérent avec la conjecture.
Pour le démontrer rigoureusement, montrons par récurrence que pour tout , . C'est vrai pour . Si , alors : la propriété est héréditaire, donc pour tout .
De plus, car : la suite est donc strictement croissante. Étant croissante et majorée par , elle converge, vers une limite (théorème de convergence monotone). Comme est continue, vérifie , soit d'après le calcul ci-dessus. Ainsi .
- 5
(Économie -- remboursement d'un emprunt.)
MoyenUne personne emprunte euros. Chaque année, la banque majore la somme due de d'intérêts, puis l'emprunteur rembourse euros. On note le montant emprunté et la dette (en euros) après la -ième année.
- Justifier que, pour tout , .
- Déterminer le réel tel que la suite constante égale à vérifie cette relation.
- On pose . Montrer que est géométrique ; en déduire en fonction de .
- Au bout de combien d'années la dette est-elle entièrement remboursée ?
Voir un indice
Pour la 2., résoudre . Pour la 4., chercher le plus petit tel que , en résolvant à l'aide du logarithme.
Voir la correction
- 6
(Physique -- refroidissement de Newton, modèle discret.)
MoyenUn objet à est placé dans une pièce à . Toutes les minutes, l'écart de température entre l'objet et la pièce diminue de . On note la température de l'objet (en ) après minutes, avec .
- Justifier que pour tout .
- On pose . Montrer que est géométrique et exprimer en fonction de .
- Déterminer et interpréter physiquement.
- Au bout de combien de minutes la température de l'objet devient-elle inférieure ou égale à ?
Voir un indice
L'écart à la pièce est ; il est multiplié par à chaque minute, donc . Pour la 4., résoudre .
Voir la correction
- 7
(Biologie -- croissance d'une population, modèle de Malthus.)
MoyenUne population de bactéries compte initialement individus. On observe que, chaque heure, la population augmente de . On note et le nombre de bactéries après heures.
- Exprimer en fonction de .
- Déterminer . Ce modèle est-il réaliste à long terme ?
- Au bout de combien d'heures la population a-t-elle au moins doublé ?
- Ce modèle suppose une ressource illimitée. Citer un phénomène biologique qui, en pratique, limiterait cette croissance.
Voir un indice
Une augmentation de correspond à une multiplication par : est géométrique. Pour la 3., résoudre .
Voir la correction
- 8
(Généralisation des suites arithmético-géométriques.)
DifficileSoit et deux réels avec . On considère une suite vérifiant, pour tout ,
- Montrer qu'il existe un unique réel tel que , et l'exprimer en fonction de et .
- On pose . Montrer que est géométrique de raison .
- En déduire l'expression générale : .
- Discuter le comportement de selon la valeur de , pour : cas , cas exclu, cas . Que se passe-t-il si ?
Voir un indice
Voir la correction
- 9
(Le flocon de Koch : périmètre infini, aire finie.)
DifficileOn part d'un triangle équilatéral de côté (étape ). 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 le périmètre et l'aire de la figure obtenue à l'étape . On rappelle que l'aire d'un triangle équilatéral de côté vaut .
- À chaque étape, chaque côté est remplacé par segments de longueur du côté précédent. En déduire en fonction de , puis .
- À l'étape , on ajoute petits triangles de côté . Montrer que l'aire ajoutée à l'étape vaut .
- En déduire puis . Conclure sur le paradoxe périmètre/aire.
Voir un indice
Voir la correction
