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Séquence 3 · Suites : raisonnement par récurrence et limites

Comment prouver qu'une propriété est vraie pour tous les entiers, et prévoir le comportement à long terme d'une suite ?

Bonjour !

Dans cette séquence de mathématiques, tu vas chercher à répondre à la grande question écrite en haut de la page. Elle se fait en 2 séances. Pour chaque séance : lis la consigne, étudie les documents, réponds aux questions sur ta feuille ou sur l'ENT, puis recopie l'essentiel dans ton cahier. Tu peux imprimer cette page avec le bouton « Imprimer ».

À la fin, je serai capable de :

Les mots importants

raisonnement par récurrence : initialisation, héréditésuite convergente, divergentethéorèmes de comparaison et des gendarmeslimite de qⁿ, inégalité de Bernoullisuite croissante majorée

Ressources de la séquence

Les notions, les repères et les pistes pour aller plus loin, utiles pour toutes les séances.

Les notions à maîtriser

Récurrence
Si P(n₀) est vraie et si, pour tout n ≥ n₀, P(n) entraîne P(n + 1), alors P(n) est vraie pour tout n ≥ n₀.
Convergence
(uₙ) converge vers ℓ si tout intervalle ouvert contenant ℓ contient tous les termes à partir d'un certain rang.
Comparaison
Si uₙ ≥ vₙ et vₙ tend vers +∞, alors uₙ tend vers +∞.
Gendarmes
Si vₙ ≤ uₙ ≤ wₙ et (vₙ), (wₙ) tendent vers ℓ, alors uₙ tend vers ℓ.
Suites géométriques
qⁿ tend vers +∞ si q > 1, vers 0 si −1 < q < 1.
Convergence monotone
Toute suite croissante majorée converge ; toute suite croissante non majorée tend vers +∞.

Repères

DateÉvénement
1575Maurolico utilise un raisonnement de proche en proche sur les entiers.
1654Pascal emploie explicitement la récurrence dans le Traité du triangle arithmétique.
1821Cauchy, Cours d'analyse : définition des limites.
1889Peano fait de la récurrence un axiome des entiers naturels.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Mon parcours : je choisis mon rythme

Séance 1 · Le raisonnement par récurrence

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.

La question du jour

Comment être sûr que la formule est vraie pour n = 1 000 000 ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · Initialisation et hérédité

Pour démontrer qu'une propriété P(n) est vraie pour tout entier n ≥ n₀ : initialisation, on vérifie P(n₀) ; hérédité, on suppose P(n) vraie pour un entier n ≥ n₀ quelconque (hypothèse de récurrence) et on démontre P(n + 1) ; conclusion, P(n) est vraie pour tout n ≥ n₀. Image : une file infinie de dominos. On l'utilise pour une formule explicite, une inégalité (inégalité de Bernoulli : (1 + a)ⁿ ≥ 1 + na pour a > 0) ou des encadrements et la monotonie d'une suite récurrente uₙ₊₁ = f(uₙ), souvent avec les variations de f. Les deux étapes sont indispensables.

Document 1 · Le placement et la formule

Situation-problème.

Un capital de 2 000 € est placé ; chaque année on ajoute 100 € puis il rapporte 5 %. On note uₙ le capital après n années : u₀ = 2 000, uₙ₊₁ = 1,05(uₙ + 100). Un élève conjecture, à l'aide d'un tableur, que uₙ = 4 100 × 1,05ⁿ − 2 100.

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Testez la conjecture.

  1. Calculez u₁ et u₂ par la relation de récurrence.
  2. Calculez‑les avec la formule conjecturée.
  3. Les tests suffisent‑ils ?

Ce qui est attendu (6 pts) : Résultats justes et justifiés

Activité 2 · Démontrer

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Rédigez la récurrence.

  1. Initialisation ?
  2. Hérédité : si uₙ = 4 100 × 1,05ⁿ − 2 100, calculez uₙ₊₁.
  3. Démontrez l'inégalité de Bernoulli (1 + a)ⁿ ≥ 1 + na pour a > 0.

Ce qui est attendu (7 pts) : Méthode et résultats

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez la démonstration complète de la formule du capital, puis expliquez en 3 lignes pourquoi l'initialisation et l'hérédité sont toutes deux nécessaires. Pour bien commencer : Notons P(n) : « uₙ = … ». · Supposons P(n) vraie pour un entier n… · Sans initialisation, …

Ce qui est attendu (7 pts) : Raisonnement · Rédaction

Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)

Complète la trace écrite avec les mots de la banque, puis recopie-la dans ton cahier.

Bernoullihéréditéinitialisationrécurrence

Une démonstration par récurrence comporte une ______________ et une ________. Dans l'hérédité, on utilise l'hypothèse de __________. L'inégalité de _________ permet d'étudier la limite de qⁿ.

Séance 2 · Limites de suites

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.

La question du jour

Vers quelle valeur se stabilise une population régulée ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · Limites et théorèmes

(uₙ) tend vers +∞ si tout intervalle [A ; +∞[ contient tous les termes à partir d'un certain rang ; elle converge vers ℓ si tout intervalle ouvert contenant ℓ contient tous les termes à partir d'un certain rang. Opérations : somme, produit, quotient (attention aux formes indéterminées « ∞ − ∞ », « 0 × ∞ », « ∞/∞ », que l'on lève en factorisant par le terme dominant). Comparaison et gendarmes. Suites géométriques : grâce à Bernoulli, qⁿ tend vers +∞ si q > 1 ; vers 0 si −1 < q < 1. Convergence monotone : une suite croissante majorée converge. Si uₙ₊₁ = f(uₙ) converge vers ℓ et f est continue, alors ℓ = f(ℓ).

Document 1 · La réserve naturelle

Situation-problème.

Une réserve compte 1 000 oiseaux. Chaque année, 20 % des oiseaux disparaissent et 300 nouveaux oiseaux arrivent. On note uₙ l'effectif l'année n : u₀ = 1 000 et uₙ₊₁ = 0,8 uₙ + 300.

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Conjecturez.

  1. u₁, u₂, u₃ ?
  2. Conjecture sur la limite (tableur jusqu'à n = 30) ?
  3. Posez vₙ = uₙ − 1 500 : nature de (vₙ) ?

Ce qui est attendu (6 pts) : Résultats justes et justifiés

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Déterminez les limites.

  1. uₙ = 1 500 − 500 × 0,8ⁿ.
  2. n² − 3n.
  3. (3n² + 1)/(n² + n).

Ce qui est attendu (7 pts) : Méthode et résultats

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez une note pour le gestionnaire de la réserve (8 lignes) : effectif à long terme, et vérifiez que l'effectif reste toujours inférieur à 1 500. Pour bien commencer : La suite auxiliaire vₙ est géométrique… · On en déduit que uₙ = … · À long terme, l'effectif…

Ce qui est attendu (7 pts) : Raisonnement · Rédaction

Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)

Complète la trace écrite avec les mots de la banque, puis recopie-la dans ton cahier.

0f(ℓ)factorisemajorée

Si −1 < q < 1, qⁿ tend vers ______. Une suite croissante _______ converge. Pour lever une forme indéterminée, on _________ par le terme dominant. Si uₙ₊₁ = f(uₙ) converge vers ℓ et f est continue, ℓ = ______.

Fiche à trous · je complète

Complète le texte avec les mots de la banque (sur papier ou dans le document de l'ENT).

+∞0initialisationmajorée

Une récurrence comporte une ______________ et une hérédité.

Si q > 1, la suite (qⁿ) tend vers ______.

Si −1 < q < 1, la suite (qⁿ) tend vers ______.

Toute suite croissante et _______ converge.

Ce que j'ai appris

Les 3 idées que je retiens :
Une méthode ou une formule que je veux retenir :
Ce qui reste difficile pour moi / ma question pour le professeur :