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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 ?

Repères pour le professeur

Voie · niveauLycée général · Terminale
DisciplineMathématiques
Programme officielProgramme de spécialité de mathématiques de Terminale générale, BO spécial n°8 du 25 juillet 2019, applicable en 2026-2027 ; le nouveau programme entre en Terminale à la rentrée 2027.
Place dans le programmeProgramme de spécialité de mathématiques de terminale générale (BO spécial n°8 du 25 juillet 2019, applicable en terminale en 2026-2027 ; le nouveau programme du BO du 2 avril 2026 entre en terminale à la rentrée 2027), partie « Analyse », section « Suites »
Durée totale2 séances + 1 évaluation ≈ 3 h 05
ModalitéEnseignement à distance : classe virtuelle + travail autonome + rendu sur l'ENT

Objectifs et capacités

Objectifs

Capacités travaillées (BO)

Notions et définitions

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

Repères historiques

Ressources de la séquence

Ancrage dans le programme, notions, repères, débats, bibliographie et différenciation, communs à toutes les séances.

Ancrage dans le programme officiel

Capacité attendue : « Raisonner par récurrence pour établir une propriété d'une suite. »

Démonstration au programme : « Limite de (qn), après démonstration par récurrence de l'inégalité de Bernoulli. »

Histoire des mathématiques : « Véritable porte d'entrée sur l'infini, le raisonnement par récurrence a été formalisé comme principe fondamental de raisonnement par Pascal, et surtout par Peano et ses collaborateurs »

Compétences : « L'évaluation doit permettre de repérer les acquis des élèves en lien avec les six compétences mathématiques : chercher, modéliser, représenter, raisonner, calculer, communiquer. »

Épreuve de spécialité (terminale, version consolidée 2024) : écrite, 4 heures, coefficient 16. « Le sujet comporte quatre exercices indépendants les uns des autres, qui permettent d'évaluer les connaissances et compétences des candidats. » « Chaque exercice est noté sur 4 à 8 points. » (définition consolidée de l'épreuve de spécialité (éduscol)).

Notions : définitions rigoureuses

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.

Les historiens en débat

Le raisonnement par récurrence permet de démontrer en un nombre fini de lignes une infinité d'énoncés ; Pascal en donne la première formulation claire, Peano en fait un axiome. La notion de limite, longtemps intuitive, est rendue rigoureuse au XIXe siècle par Cauchy puis Weierstrass. Les suites récurrentes sont au coeur de la modélisation des évolutions discrètes. Synthèse du professeur.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Différenciation : un rythme de travail différent

Déroulé d'ensemble

SéanceTitreDuréeObjectif
Séance 1Le raisonnement par récurrence65 mindémontrer une propriété pour tout entier naturel
Séance 2Limites de suites65 mindéterminer une limite et justifier une convergence
ÉvaluationÉvaluation de fin de séquence (/20)55 minVérifier les acquis : connaissances, capacités, rédaction

Chaque séance dure environ 55 minutes à distance : lancement en classe virtuelle ou par message sur l'ENT, recherche du problème (calculatrice, tableur, GeoGebra ou Python dans le navigateur), mise en commun, cours et trace écrite. Les élèves renvoient la fiche à trous et leur production par l'ENT ou en photo.

Séance 1 · Le raisonnement par récurrence

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

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

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · 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.
    ✔ Corrigé :

    u₁ = 2 205 ; u₂ = 2 420,25.

  2. Calculez‑les avec la formule conjecturée.
    ✔ Corrigé :

    4 100 × 1,05 − 2 100 = 2 205 ; 4 100 × 1,1025 − 2 100 = 2 420,25.

  3. Les tests suffisent‑ils ?
    ✔ Corrigé :

    Non : ils vérifient quelques valeurs, pas toutes.

Critère de réussitePoints
Résultats justes et justifiés6
Total de l'activité6

Activité 2 · Démontrer

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Rédigez la récurrence.

  1. Initialisation ?
    ✔ Corrigé :

    4 100 − 2 100 = 2 000 = u₀.

  2. Hérédité : si uₙ = 4 100 × 1,05ⁿ − 2 100, calculez uₙ₊₁.
    ✔ Corrigé :

    1,05(4 100 × 1,05ⁿ − 2 000) = 4 100 × 1,05ⁿ⁺¹ − 2 100.

  3. Démontrez l'inégalité de Bernoulli (1 + a)ⁿ ≥ 1 + na pour a > 0.
    ✔ Corrigé :

    Hérédité : (1 + a)ⁿ⁺¹ ≥ (1 + na)(1 + a) = 1 + (n + 1)a + na² ≥ 1 + (n + 1)a.

Critère de réussitePoints
Méthode et résultats7
Total de l'activité7

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, …

✔ Corrigé rédigé :

Énoncé de P(n) ; initialisation ; hérédité avec calcul juste ; conclusion ; contre‑exemple ou image des dominos pour justifier les deux étapes.

Critère de réussitePoints
Raisonnement5
Rédaction2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

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

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · Chercher6
Activité 2 · Démontrer7
Activité 3 · Communiquer7
Total20 / 20

Séance 2 · Limites de suites

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

Vers quelle valeur se stabilise une population régulée ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · 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 ?
    ✔ Corrigé :

    1 100 ; 1 180 ; 1 244.

  2. Conjecture sur la limite (tableur jusqu'à n = 30) ?
    ✔ Corrigé :

    Les termes s'approchent de 1 500.

  3. Posez vₙ = uₙ − 1 500 : nature de (vₙ) ?
    ✔ Corrigé :

    vₙ₊₁ = 0,8 vₙ : géométrique de raison 0,8, v₀ = −500.

Critère de réussitePoints
Résultats justes et justifiés6
Total de l'activité6

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Déterminez les limites.

  1. uₙ = 1 500 − 500 × 0,8ⁿ.
    ✔ Corrigé :

    1 500 car 0,8ⁿ tend vers 0.

  2. n² − 3n.
    ✔ Corrigé :

    n(n − 3) : +∞.

  3. (3n² + 1)/(n² + n).
    ✔ Corrigé :

    3.

Critère de réussitePoints
Méthode et résultats7
Total de l'activité7

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…

✔ Corrigé rédigé :

vₙ géométrique ; formule explicite ; limite 1 500 ; uₙ < 1 500 car 500 × 0,8ⁿ > 0 ; interprétation écologique ; modèle simplifié.

Critère de réussitePoints
Raisonnement5
Rédaction2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

Si −1 < q < 1, qⁿ tend vers 0. Une suite croissante majorée converge. Pour lever une forme indéterminée, on factorise par le terme dominant. Si uₙ₊₁ = f(uₙ) converge vers ℓ et f est continue, ℓ = f(ℓ).

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · Chercher6
Activité 2 · S'entraîner7
Activité 3 · Communiquer7
Total20 / 20

Fiche à trous · corrigé

Une récurrence comporte une initialisation et une hérédité.

Si q > 1, la suite (qⁿ) tend vers +∞.

Si −1 < q < 1, la suite (qⁿ) tend vers 0.

Toute suite croissante et majorée converge.

La version élève contient la même fiche avec une banque de mots (papier ou ENT).

Évaluation de fin de séquence (/20) · barème et corrigé

Évaluation sur 20 à faire en temps limité sur l'ENT ou sur papier, puis à renvoyer en photo ; le corrigé et le barème servent aussi à l'autoévaluation. En Bac Pro, elle est construite comme une situation de contrôle en cours de formation (problème contextualisé, compétences évaluées) ; en 1re générale, elle prépare à l'épreuve anticipée (automatismes sans calculatrice et exercices) ; en Terminale générale, aux exercices indépendants de l'épreuve de spécialité.

N°QuestionBarèmeCorrigé et critères
1Démontrez par récurrence que pour tout entier n ≥ 1, 1 + 3 + 5 + … + (2n − 1) = n².4 ptsInitialisation : 1 = 1². Hérédité : si la somme vaut n², en ajoutant 2n + 1 on obtient n² + 2n + 1 = (n + 1)². Conclusion. Initialisation (1 pt), hérédité (2 pts), conclusion (1 pt).
2Déterminez les limites : uₙ = 3n² − 5n + 1 ; vₙ = (2n + 1)/(n + 3) ; wₙ = 5 × 0,8ⁿ + 2 ; tₙ = (cos n)/n.8 pts+∞ (factoriser par n²) ; 2 ; 2 (0,8ⁿ tend vers 0) ; 0 par les gendarmes (−1/n ≤ tₙ ≤ 1/n). Deux points par limite justifiée.
3Soit u₀ = 1 et uₙ₊₁ = 0,5 uₙ + 3. Démontrez par récurrence que 0 ≤ uₙ ≤ uₙ₊₁ ≤ 6, déduisez‑en que (uₙ) converge, puis déterminez sa limite. Pour bien commencer : *Je note P(n) la propriété…* · *Supposons P(n) vraie ; comme f est croissante, …* · *La suite étant croissante et majorée, …*8 ptsInitialisation : u₁ = 3,5, 0 ≤ 1 ≤ 3,5 ≤ 6. Hérédité : f(x) = 0,5x + 3 croissante, donc 0 ≤ uₙ ≤ uₙ₊₁ ≤ 6 entraîne 3 ≤ uₙ₊₁ ≤ uₙ₊₂ ≤ 6. Suite croissante majorée : convergente ; la limite ℓ vérifie ℓ = 0,5ℓ + 3, ℓ = 6. Récurrence (4 pts), convergence (2 pts), limite (2 pts).
Total20 pts

Pistes pour un rythme de travail différent