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L'usage de la calculatrice, bien que totalement inutile, est autorisé.

Un soin particulier sera apporté à la rédaction.

Durée : 55 min

Exercice 1 (3 points)

Calculer soigneusement les limites en \(+\infty\) de :

  1. \(u_{n} = \dfrac{\sin{\left({\dfrac{\text{π}}{3} \times n}\right)}}{n}\)

  2. \(u_{n} = \dfrac{6{n^{2} - 3}{n + 7}}{n^{2} + n + 1}\)

  3. \({u_{n} = n^{2}}\left( {\sqrt{3 - \dfrac{2}{n}} - \sqrt{3}} \right)\)

Exercice 2 (7 points)

On considère la suite \((u_n)\) définie sur \(\mathbb{N}\) par \(u_0=0\) et \(u_{n+1}=\dfrac{2u_n+3}{u_n+4}\).

  1. a) Soit \(f : x \mapsto \dfrac{2x+3}{x+4}\). Étudier les variations de \(f\).

    b) Montrer par récurrence que pour tout \(n \in \mathbb{N}\), \(0 \leqslant u_n \leqslant u_{n+1} \leqslant 1\).

    c) En déduire que la suite \((u_n)\) converge.

  2. On pose, pour tout \(n \in \mathbb{N}\), \(v_n=\dfrac{u_n-1}{u_n+3}\).

    a) Montrer que la suite \((v_n)\) est une suite géométrique.

    b) Exprimer \(v_n\) puis \(u_n\) en fonction de \(n\).

    c) Déterminer la limite de la suite \((v_n)\), puis celle de la suite \((u_n)\).

Exercice 3 (4 points)

Soient \((u_n)\) une suite réelle et \((v_n)\) la suite définie par \(v_n=\dfrac{u_0+u_1+\dots+u_n}{n+1}\).

  1. Montrer que si la suite \((u_n)\) est bornée, alors la suite \((v_n)\) est bornée. La réciproque est-elle vraie ?

  2. Montrer que si la suite \((u_n)\) est croissante, alors \((v_n)\) est croissante.

  3. Montrer que si la suite \((u_n)\) converge vers un réel \(\alpha\), alors la suite \((v_n)\) converge et a pour limite \(\alpha\).

Exercice 1

  1. On a \(-1 \leqslant \sin (\dfrac{\text{π}}{3} \times n)\leqslant 1\)  pour tout \(n\in \mathbb{N}\) donc \(-\dfrac{1}{n} \leqslant u_n\leqslant \dfrac{1}{n}\). Or \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }{\dfrac{1}{n}}=0\), d'après le théorème d'encadrement, on a donc \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }u_n=0\).

  2. \(u_n=\dfrac{n^2\left(6-\dfrac 3 n+\dfrac 7{n^2}\right)}{n^2\left(1+\dfrac 1 n+\dfrac 1{n^2}\right)}=\dfrac{6-\dfrac 3 n+\dfrac 7{n^2}}{1+\dfrac 1 n+\dfrac 1{n^2}}\)  On a : \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }\dfrac 1 n=\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }\dfrac 1{n^2}=0\) , donc, par sommes et produits:

    \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }6-\dfrac 3 n+\dfrac 7{n^2}=6\)  et \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }1+\dfrac 1 n+\dfrac 1{n^2}\) =1. Par quotient, on obtient: \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }u_n=6\) .

  3. \(u_n=n^2\dfrac{\left(\sqrt{3-\dfrac 2 n}-\sqrt 3\right)\times \left(\sqrt{3-\dfrac 2 n}+\sqrt 3\right)}{\sqrt{3-\dfrac 2 n}+\sqrt 3}=n^2\dfrac{3-\dfrac 2 n-3}{\sqrt{3-\dfrac 2 n}+\sqrt 3}=\dfrac{-2n}{\sqrt{3-\dfrac 2n}+\sqrt 3}\) . On a \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }-\dfrac 2 n=0\) , avec la somme et la racine carrée, on obtient \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }\sqrt{3-\dfrac 2 n}=\sqrt 3\)  d'où \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }\sqrt{3-\dfrac 2 n}+\sqrt 3=2\sqrt 3\) .

    Au numérateur on a \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty}-2n=-\infty\) . Par quotient, on obtient alors \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }u_n=-\infty\) .

Exercice 2

  1. a) \(f\)  est une fonction rationnelle donc dérivable sur son ensemble de définition, qui est \(\mathbb{R}\)-{4}. On pose \(u(x)=2x+3\)  et \(v(x)=x+4\)  soit \(u'(x)=2\)  et \(v'(x)=1\).

    Pour tout \(x \in \mathbb{R}-{4}\), on a:

    \(f'(x)=\dfrac{u'(x)v(x)-u(x)v'(x)}{v^2(x)}=\dfrac{2(x+4)-(2x+3)}{(x+4)^2}=\dfrac 5{(x+4)^2}\).

    On a \(f'(x)>0\)  donc \(f\)  est croissante sur \(]-\infty;4[\) et croissante sur \(]4;+\infty[\) .

    b) Soit \(\text H_n\) : «\(0\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant 1\)»

    Initialisation

    On calcule \(u_1=\dfrac{2\times 0+3}{0+4}=\dfrac 3 4\) , On a donc \(0\leqslant u_0\leqslant u_1\leqslant 1\) .

    \(\Rightarrow \text H_0\)  est vérifiée.

    Hérédité

    Supposons \(\text H_n\)  vraie pour une valeur de \(n\)  donnée, montrons qu'alors \(\text H_{n+1}\)  est vraie.

    On a \(0\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant 1 \Rightarrow f(0)\leqslant f(u_n)\leqslant f(u_{n+1})\leqslant f(1)\)  car \(f\)  croissante sur \([0\mathrm ;1]\)

    \(\Rightarrow \dfrac 3 4\leqslant u_{n+1}\leqslant u_{n+2}\leqslant 1\)

    \(\Rightarrow 0\leqslant u_{n+1}\leqslant u_{n+2}\leqslant 1\)

    \(\Rightarrow \text H_{n+1}\)  est vraie.

    Conclusion

    Par récurrence sur \(n\) , on a montré que \(\text H_n\)  était vraie pour tout \(n\in \mathbb{N}\).

    c)  La suite \((u_n)\)  est croissante et majorée par 1, d'après le théorème de convergence monotone, \((u_n)\)  est convergente.

  2. a) On a \(v_{n+1}=\dfrac{u_{n+1}-1}{u_{n+1}+3}=\dfrac{\dfrac{2u_n+3}{u_n+4}-1}{\dfrac{2u_n+3}{u_n+4}+3}=\dfrac{2u_n+3-u_n-4}{2u_n+3+3u_n+12}=\dfrac{u_n-1}{5u_n+15}=\dfrac 1 5\dfrac{u_n-1}{u_n+3}=\dfrac 1 5v_n\)

    \((v_n)\)  est donc bien géométrique de raison \(\dfrac 1 5\) . On a \(v_0=\dfrac{u_0-1}{u_0+3}=-\dfrac 1 3\) .

    b) \(v_n=-\dfrac 1 3\left(\dfrac 1 5\right)^n\) . On exprime \(u_n\) en fonction de \(v_n\) :

    \(v_n=\dfrac{u_n-1}{u_n+3}=\dfrac{u_n+3-4}{u_n+3}=1-\dfrac 4{u_n+3}\)

    \(\Rightarrow\) \(1-v_n=\dfrac 4{u_n+3} \Rightarrow u_n+3=\dfrac 4{1-v_n} \Rightarrow u_n=\dfrac 4{1-v_n}-3\)

    D'où \(u_n=\dfrac 4{1+\dfrac 1 3\left(\dfrac 1 5\right)^n}-3\) .

    c) On a \(-1<\dfrac 1 5<1\)  donc \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }v_n=0\) .

    Par conséquent, \(\lim\limits_{n\rightarrow+\infty }1-v_n=1\) , par inverse et produit \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }\dfrac 4{1-v_n}=4\)  et par différence : \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }\dfrac 4{1-v_n}-3=1\) . Soit \(\lim\limits_{n\rightarrow +\infty }u_n=1\) .

Exercice 3

  1. Supposons \((u_n)\)  bornée : Il existe deux réels \(m\)  et \(\text M\) tels que \(m\leqslant u_n\leqslant \text M\)  pour tout \(n \in \mathbb{N}\).

    On a alors \((n+1)m\leqslant \sum _{k=0}^{k=n}u_k\leqslant (n+1)\text M\)  d'où \(m\leqslant \dfrac{\sum_{k=0}^{k=n}u_k}{n+1}\leqslant \text M\) et \(m\leqslant v_n\leqslant \text M\)  \(\Rightarrow\) \((v_n)\)  est bornée.

    Réciproque :

    On peut considérer la suite \(u_n=n \times (-1)^n\) , On a \(\sum _{k=0}^{k=n}u_k=\dfrac n 2\)  si \(n\) pair, et \(\sum _{k=0}^{k=n}u_k=-\dfrac{n+1} 2\)  si \(n\)  impair, ce qui implique \(-\dfrac 1 2\leqslant \dfrac{\sum_{k=0}^{k=n}u_k}{n+1}\leqslant \dfrac 1 2\) soit \(-\dfrac 1 2\leqslant v_n\leqslant \dfrac 1 2\)  pour tout \(n \in \mathbb{N}\).

    On a donc \((u_n)\)  non bornée et pourtant \((v_n)\)  est bornée.

  2. On a \(v_{n+1}-v_n=\dfrac{\sum _{k=0}^{k=n+1}u_k}{n+2}-\dfrac{\sum _{k=0}^{k=n}u_k}{n+1}\)

    \(\Rightarrow v_{n+1}-v_n=\dfrac 1{(n+1)(n+2)}\times ((n+1)u_k-(n+2)u_k)\)

    \(\Rightarrow v_{n+1}-v_n=\dfrac 1{(n+1)(n+2)}\times ((n+1)u_{n+1}+(n+1)\sum _{k=0}^{k=n}u_k-(n+1+1)\sum _{k=0}^{k=n}u_k)\)

    \(\Rightarrow v_{n+1}-v_n=\dfrac 1{(n+1)(n+2)}\times ((n+1)u_{n+1}+(n+1)\sum _{k=0}^{k=n}u_k-(n+1)\sum _{k=0}^{k=n}u_k-\sum _{k=0}^{k=n}u_k)\)

    \(\Rightarrow v_{n+1}-v_n=\dfrac 1{(n+1)(n+2)}\times ((n+1)u_{n+1}+(n+1)\sum _{k=0}^{k=n}u_k-(n+1)\sum _{k=0}^{k=n}u_k-\sum _{k=0}^{k=n}u_k)\)

    \(\Rightarrow v_{n+1}-v_n=\dfrac 1{(n+1)(n+2)}\times \sum _{k=0}^{k=n}(u_{n+1}-u_k)\)

    Si on suppose que \((u_n)\)  est croissante, alors \(u_{n+1}-u_k\geqslant 0\)  pour \(k\)  entier naturel plus petit que \(n\) .

    D'où \(\sum _{k=0}^{k=n}(u_{n+1}-u_k) \geqslant 0\)  puis \(\dfrac 1{(n+1)(n+2)}\times \sum_{k=0}^{k=n}(u_{n+1}-u_k)\geqslant 0\)  soit \(v_{n+1}-v_n \geqslant 0\) et \((v_n)\)  croissante.

  3. Soit \(\left|v_n - \alpha \right|=\left|\dfrac{\sum _{k=0}^{k=n}u_k}{n+1}-\alpha \right|=\dfrac 1{n+1}\left|\sum _{k=0}^{k=n}u_k-(n+1)\alpha \right|=\dfrac 1{n+1}\left|\sum _{k=0}^{k=n}(u_k-\alpha )\right|\)

    Soit \(\varepsilon \in \mathbb{R}^+\), il existe \(n_0 \in \mathbb{N}\) tel que si \(n>n_0\), \(\left|u_n-\alpha \right|<\varepsilon\) .

    On a \(\dfrac 1{n+1}\left|\sum _{k=0}^{k=n}(u_k-\alpha )\right|\leqslant \dfrac 1{n+1}\left|\sum_{k=0}^{k=n_0}(u_k-\alpha )\right|+\dfrac 1{n+1}\left|\sum _{k=n_0+1}^{k=n}(u_k-\alpha ) \right|\)

    (inégalité triangulaire)

    Or \(\left|\sum _{k=0}^{k=n_0}(u_k-\alpha )\right|\)  est une quantité finie (ne dépend pas de \(n\) ) donc \(\dfrac 1{n+1}\left|\sum _{k=0}^{k=n_0}(u_k-\alpha )\right|\) tend vers 0, il existe donc \(n_1\)  tel que si \(n>n_1\), \(\dfrac 1{n+1}\left|\sum _{k=0}^{k=n_0}(u_k-\alpha)\right|\leqslant \varepsilon\)

    et \(\left|\sum _{k=n_0+1}^{k=n}(u_k-\alpha)\right| \leqslant \left|\sum _{k=0}^{k=n}(u_k-\alpha)\right|\leqslant (n+1)\varepsilon\)  d'où

    Ceci implique que pour \(n>\max(n_0,n_1)\) , \(\dfrac 1{n+1}\left|\sum _{k=0}^{k=n}(u_k- \alpha)\right| \leqslant \varepsilon + \varepsilon\)

    Soit \(\left| v_n - \alpha \right|\) \(\leqslant 2 \varepsilon\).

    D'où \((v_n)\) converge vers \(\alpha\).