Mathématiques — Terminale spécialité

Raisonnement par récurrence & Limites de suites

Principe de récurrence · méthode rédigée · limites · comparaison · gendarmes

Un peu d'histoire

Le principe du raisonnement par récurrence est attribué au mathématicien italien Giuseppe Peano (1858–1932), qui le formalise dans ses axiomes des entiers naturels. Le nom « récurrence » aurait été donné par Henri Poincaré (1854–1912). L'idée, elle, est bien plus ancienne : on en trouve des traces chez Pascal au XVIIe siècle dans son étude du triangle arithmétique.

Objectifs du chapitre

  • Démontrer une propriété portant sur tous les entiers nn à l'aide d'un raisonnement par récurrence rigoureusement rédigé.
  • Maîtriser l'inégalité de Bernoulli et savoir la démontrer.
  • Déterminer la limite d'une suite par les opérations, par comparaison ou par encadrement.
  • Reconnaître et lever les quatre formes indéterminées.
  • Connaître le comportement d'une suite géométrique et le théorème de convergence monotone.
  • Déterminer la limite d'une suite définie par récurrence (point fixe).

1 Le raisonnement par récurrence

1.1 L'idée : l'effet domino

Imaginons une file infinie de dominos régulièrement espacés. Pour être certain que tous les dominos tombent, deux conditions suffisent :

Amorce

Le premier domino tombe.

→
Propagation

Si un domino quelconque tombe, alors il fait tomber le suivant.

⇒
Conclusion

Tous les dominos tombent.

Transposé aux mathématiques : si une propriété P(n)P(n) est vraie au premier rang (l'amorce) et si « P(n)P(n) vraie ⇒P(n+1)\Rightarrow P(n+1) vraie » (la propagation), alors P(n)P(n) est vraie pour tout entier.

1.2 Le principe

Définition — Propriété héréditaire

Soit n0n_0 un entier naturel. Une propriété P(n)P(n) est dite héréditaire à partir du rang n0n_0 si, pour tout entier n⩾n0n \geqslant n_0 :

P(n) vraie  ⟹  P(n+1) vraie.P(n) \text{ vraie} \;\Longrightarrow\; P(n+1) \text{ vraie}.
Théorème — Principe de récurrence

Soit P(n)P(n) une propriété définie pour tout entier n⩾n0n \geqslant n_0. Si :

  • Initialisation : P(n0)P(n_0) est vraie ;
  • Hérédité : P(n)P(n) est héréditaire à partir du rang n0n_0 ;

alors P(n)P(n) est vraie pour tout entier n⩾n0n \geqslant n_0.

1.3 Rédaction type d'une récurrence

Méthode — Les quatre étapes à toujours écrire
  1. Énoncé. On note P(n)P(n) la propriété : « ... ». Montrons par récurrence que P(n)P(n) est vraie pour tout n⩾n0n \geqslant n_0.
  2. Initialisation. On vérifie que P(n0)P(n_0) est vraie (calcul explicite des deux membres).
  3. Hérédité. Soit n⩾n0n \geqslant n_0 fixé. On suppose P(n)P(n) vraie (hypothèse de récurrence, HR) et on démontre P(n+1)P(n+1).
  4. Conclusion. P(n)P(n) est initialisée et héréditaire ; d'après le principe de récurrence, P(n)P(n) est vraie pour tout n⩾n0n \geqslant n_0.
Exemple — Expression explicite d'une suite

Soit (un)(u_n) définie par u0=0u_0 = 0 et un+1=3un+2u_{n+1} = 3u_n + 2. Démontrons que pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, un=3n−1u_n = 3^n - 1.

Initialisation. u0=0u_0 = 0 et 30−1=03^0 - 1 = 0 : P(0)P(0) est vraie.

Hérédité. Soit n∈Nn \in \mathbb{N}. Supposons un=3n−1u_n = 3^n - 1. Alors

un+1=3un+2=3 (3n−1)+2=3n+1−3+2=3n+1−1,u_{n+1} = 3u_n + 2 = 3\,(3^n - 1) + 2 = 3^{n+1} - 3 + 2 = 3^{n+1} - 1,

donc P(n+1)P(n+1) est vraie.

Conclusion. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, un=3n−1u_n = 3^n - 1.

1.4 L'inégalité de Bernoulli

Théorème — Inégalité de Bernoulli

Pour tout réel a⩾0a \geqslant 0 et tout entier naturel nn :

(1+a)n⩾1+na.(1 + a)^n \geqslant 1 + na.
Démonstration (exigible)

Initialisation. Pour n=0n = 0 : (1+a)0=1(1+a)^0 = 1 et 1+0×a=11 + 0 \times a = 1, donc l'inégalité est vraie.

Hérédité. Soit n∈Nn \in \mathbb{N}. Supposons (1+a)n⩾1+na(1+a)^n \geqslant 1 + na. Comme 1+a>01 + a \gt 0, on multiplie sans changer le sens :

(1+a)n+1=(1+a)(1+a)n⩾(1+a)(1+na)=1+na+a+na2.(1+a)^{n+1} = (1+a)(1+a)^n \geqslant (1+a)(1+na) = 1 + na + a + na^2.

Or na2⩾0na^2 \geqslant 0, donc

(1+a)n+1⩾1+(n+1)a+na2⩾1+(n+1)a.(1+a)^{n+1} \geqslant 1 + (n+1)a + na^2 \geqslant 1 + (n+1)a.

P(n+1)P(n+1) est vraie.

Conclusion. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, (1+a)n⩾1+na(1+a)^n \geqslant 1 + na.

1.5 Applications aux suites

Exemple — Démontrer une monotonie

Soit (un)(u_n) : u0=2u_0 = 2 et un+1=13un+2u_{n+1} = \tfrac{1}{3}u_n + 2. Montrons que (un)(u_n) est croissante, c'est-à-dire un+1⩾unu_{n+1} \geqslant u_n pour tout nn.

Initialisation. u0=2u_0 = 2 et u1=13×2+2=83>2u_1 = \tfrac{1}{3}\times 2 + 2 = \tfrac{8}{3} \gt 2, donc u1⩾u0u_1 \geqslant u_0.

Hérédité. Supposons un+1⩾unu_{n+1} \geqslant u_n. En multipliant par 13>0\tfrac{1}{3} \gt 0 puis en ajoutant 22 :

13un+1+2  ⩾  13un+2soitun+2⩾un+1.\tfrac{1}{3}u_{n+1} + 2 \;\geqslant\; \tfrac{1}{3}u_n + 2 \quad\text{soit}\quad u_{n+2} \geqslant u_{n+1}.

Conclusion. (un)(u_n) est croissante.

Exemple — Démontrer un encadrement (suite majorée)

Avec la même suite, montrons que (un)(u_n) est majorée par 33 : un<3u_n \lt 3 pour tout nn.

Initialisation. u0=2<3u_0 = 2 \lt 3.

Hérédité. Supposons un<3u_n \lt 3. Alors 13un<1\tfrac{1}{3}u_n \lt 1 puis 13un+2<3\tfrac{1}{3}u_n + 2 \lt 3, soit un+1<3u_{n+1} \lt 3.

Conclusion. Pour tout nn, un<3u_n \lt 3.

1.6 Les deux pièges à éviter

Attention — L'initialisation est indispensable

Considérons « 2n2^n est divisible par 33 ». Supposons 2n=3k2^n = 3k. Alors 2n+1=2×3k=3(2k)2^{n+1} = 2 \times 3k = 3(2k) : la propriété est héréditaire. Pourtant elle est fausse (20=12^0 = 1 n'est pas divisible par 33), car l'initialisation échoue. Sans amorce, aucun domino ne tombe.

Attention — Vérifier sur les premiers rangs ne prouve rien

Le polynôme n2−n+41n^2 - n + 41 donne un nombre premier pour n=0,1,2,…,40n = 0, 1, 2, \dots, 40. On pourrait croire la propriété « n2−n+41n^2 - n + 41 est premier » vraie partout. Mais pour n=41n = 41 : 412−41+41=41241^2 - 41 + 41 = 41^2, qui n'est pas premier. Tester ne démontre jamais : seule l'hérédité le fait.

2 Limites de suites

2.1 Limite finie — convergence

Définition — Suite convergente

La suite (un)(u_n) a pour limite le réel ℓ\ell si tout intervalle ouvert contenant ℓ\ell contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang. On note :

lim⁡n→+∞un=ℓ,\lim_{n \to +\infty} u_n = \ell,

et l'on dit que (un)(u_n) converge vers ℓ\ell. Lorsqu'elle existe, la limite est unique.

2.2 Limite infinie — divergence

Définition — Limite infinie

(un)(u_n) a pour limite +∞+\infty si tout intervalle  ]A ;+∞[ \,]A\,;+\infty[\, contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang (idée : les termes finissent par dépasser n'importe quel AA). On note lim⁡n→+∞un=+∞\lim\limits_{n\to+\infty} u_n = +\infty. Définition analogue avec  ]−∞ ;B[ \,]-\infty\,;B[\, pour −∞-\infty. On dit alors que (un)(u_n) diverge vers l'infini.

Attention — Diverger ≠ tendre vers l'infini

Une suite peut diverger sans limite infinie : un=(−1)nu_n = (-1)^n oscille entre −1-1 et 11, elle n'a ni limite finie ni limite infinie. Elle est simplement divergente.

2.3 Suites de référence

Propriété — Limites usuelles

Tendent vers +∞+\infty :

lim⁡n=lim⁡n=lim⁡n2=lim⁡nk=+∞    (k∈N∗).\lim \sqrt{n} = \lim n = \lim n^2 = \lim n^k = +\infty \;\; (k \in \mathbb{N}^*).

Tendent vers 00 :

lim⁡1n=lim⁡1n=lim⁡1n2=lim⁡1nk=0.\lim \frac{1}{\sqrt{n}} = \lim \frac{1}{n} = \lim \frac{1}{n^2} = \lim \frac{1}{n^k} = 0.

2.4 Opérations sur les limites

Les résultats ci-dessous sont intuitifs (somme, produit, quotient des limites). Seuls quelques cas donnent des formes indéterminées (F.I.) que l'on ne peut pas conclure directement.

Limite d'une somme un+vnu_n + v_n

lim⁡un\lim u_nℓ\ellℓ\ellℓ\ell+∞+\infty−∞-\infty+∞+\infty
lim⁡vn\lim v_nℓ′\ell'+∞+\infty−∞-\infty+∞+\infty−∞-\infty−∞-\infty
lim⁡(un+vn)\lim (u_n+v_n)ℓ+ℓ′\ell+\ell'+∞+\infty−∞-\infty+∞+\infty−∞-\inftyF.I.

Limite d'un produit un×vnu_n \times v_n

lim⁡un\lim u_nℓ\ellℓ\ell ≠ 0∞\infty00
lim⁡vn\lim v_nℓ′\ell'∞\infty∞\infty∞\infty
lim⁡(unvn)\lim (u_n v_n)ℓ ℓ′\ell\,\ell'∞∗\infty^{*}∞∗\infty^{*}F.I.

Limite d'un quotient unvn\dfrac{u_n}{v_n}

lim⁡un\lim u_nℓ\ellℓ\ell ≠ 0ℓ\ell∞\infty∞\infty00
lim⁡vn\lim v_nℓ′\ell' ≠ 000∞\inftyℓ′\ell'∞\infty00
lim⁡unvn\lim \frac{u_n}{v_n}ℓℓ′\frac{\ell}{\ell'}∞∗\infty^{*}00∞∗\infty^{*}F.I.F.I.

∗^{*} On applique la règle des signes pour décider entre +∞+\infty et −∞-\infty.

Les quatre formes indéterminées
∞−∞0×∞∞∞00\infty - \infty \qquad 0 \times \infty \qquad \frac{\infty}{\infty} \qquad \frac{0}{0}

Devant une F.I., il faut transformer l'écriture de unu_n avant de conclure.

2.5 Lever une indétermination

Méthode 1 — Factoriser par le terme dominant

Pour un polynôme ou un quotient de polynômes, on factorise par le monôme de plus haut degré.

n2−5n+1=n2 ⁣(1−5n+1n2).n^2 - 5n + 1 = n^2\!\left(1 - \frac{5}{n} + \frac{1}{n^2}\right).

Comme lim⁡(1−5n+1n2)=1\lim\big(1 - \tfrac{5}{n} + \tfrac{1}{n^2}\big) = 1 et lim⁡n2=+∞\lim n^2 = +\infty, par produit lim⁡(n2−5n+1)=+∞\lim (n^2 - 5n + 1) = +\infty.

Exemple — Quotient de polynômes
5n2+44n2+3n=n2 ⁣(5+4n2)n2 ⁣(4+3n)=5+4n24+3n  →n→+∞  54.\frac{5n^2 + 4}{4n^2 + 3n} = \frac{n^2\!\left(5 + \tfrac{4}{n^2}\right)}{n^2\!\left(4 + \tfrac{3}{n}\right)} = \frac{5 + \tfrac{4}{n^2}}{4 + \tfrac{3}{n}} \;\xrightarrow[n\to+\infty]{}\; \frac{5}{4}.
Méthode 2 — Multiplier par l'expression conjuguée

Pour une différence de racines (« ∞−∞\infty - \infty ») :

n+2−n=(n+2−n)(n+2+n)n+2+n=2n+2+n  →n→+∞  0.\sqrt{n+2} - \sqrt{n} = \frac{(\sqrt{n+2}-\sqrt{n})(\sqrt{n+2}+\sqrt{n})}{\sqrt{n+2}+\sqrt{n}} = \frac{2}{\sqrt{n+2}+\sqrt{n}} \;\xrightarrow[n\to+\infty]{}\; 0.

2.6 Limites par comparaison et par encadrement

Théorèmes de comparaison

Soit (un)(u_n) et (vn)(v_n) deux suites. À partir d'un certain rang :

un⩾vnlim⁡vn=+∞}⇒lim⁡un=+∞,un⩽vnlim⁡vn=−∞}⇒lim⁡un=−∞.\left.\begin{aligned} u_n \geqslant v_n \\ \lim v_n = +\infty \end{aligned}\right\} \Rightarrow \lim u_n = +\infty, \qquad \left.\begin{aligned} u_n \leqslant v_n \\ \lim v_n = -\infty \end{aligned}\right\} \Rightarrow \lim u_n = -\infty.
Théorème des gendarmes (encadrement)

Soit (un)(u_n), (vn)(v_n), (wn)(w_n) trois suites. Si, à partir d'un certain rang, un⩽vn⩽wnu_n \leqslant v_n \leqslant w_n et si lim⁡un=lim⁡wn=ℓ\lim u_n = \lim w_n = \ell, alors :

lim⁡n→+∞vn=ℓ.\lim_{n \to +\infty} v_n = \ell.

Les deux « gendarmes » (un)(u_n) et (wn)(w_n) se resserrent autour de (vn)(v_n) et la forcent à converger.

Démonstration — Comparaison vers +∞+\infty (exigible)

Soit AA un réel. Comme lim⁡vn=+∞\lim v_n = +\infty, l'intervalle  ]A ;+∞[ \,]A\,;+\infty[\, contient tous les vnv_n à partir d'un rang n1n_1 : pour n⩾n1n \geqslant n_1, vn>Av_n \gt A. Par ailleurs un⩾vnu_n \geqslant v_n à partir d'un rang n2n_2. Donc pour n⩾max⁡(n1,n2)n \geqslant \max(n_1, n_2), on a un⩾vn>Au_n \geqslant v_n \gt A, c'est-à-dire un∈ ]A ;+∞[u_n \in \,]A\,;+\infty[. Tout intervalle  ]A ;+∞[\,]A\,;+\infty[ contient donc tous les unu_n à partir d'un certain rang : lim⁡un=+∞\lim u_n = +\infty.

Exemples

Gendarmes. Pour un=sin⁡nn+1u_n = \dfrac{\sin n}{n+1} : −1n+1⩽un⩽1n+1-\dfrac{1}{n+1} \leqslant u_n \leqslant \dfrac{1}{n+1}, et les deux bornes tendent vers 00, donc lim⁡un=0\lim u_n = 0.

Comparaison. Pour vn=n+sin⁡nv_n = n + \sin n : vn⩾n−1v_n \geqslant n - 1 et lim⁡(n−1)=+∞\lim (n-1) = +\infty, donc lim⁡vn=+∞\lim v_n = +\infty.

2.7 Limite d'une suite géométrique

Théorème — Comportement de qnq^n
Valeur de qqq⩽−1q \leqslant -1−1<q<1-1 \lt q \lt 1q=1q = 1q>1q \gt 1
lim⁡n→+∞qn\lim\limits_{n\to+\infty} q^npas de limite0011+∞+\infty
Démonstration — Cas q>1q \gt 1 (exigible)

Si q>1q \gt 1, on pose q=1+aq = 1 + a avec a>0a \gt 0. D'après l'inégalité de Bernoulli :

qn=(1+a)n⩾1+na.q^n = (1+a)^n \geqslant 1 + na.

Or lim⁡(1+na)=+∞\lim (1 + na) = +\infty car a>0a \gt 0. Par comparaison, lim⁡qn=+∞\lim q^n = +\infty.

Exemple — Suite arithmético-géométrique

Soit (un)(u_n) : u0=2u_0 = 2 et un+1=2un+5u_{n+1} = 2u_n + 5. On pose vn=un+5v_n = u_n + 5.

vn+1=un+1+5=2un+10=2(un+5)=2vnv_{n+1} = u_{n+1} + 5 = 2u_n + 10 = 2(u_n + 5) = 2v_n : (vn)(v_n) est géométrique de raison 22, de premier terme v0=7v_0 = 7.

Donc vn=7×2nv_n = 7 \times 2^n puis un=7×2n−5u_n = 7 \times 2^n - 5. Comme lim⁡2n=+∞\lim 2^n = +\infty, on a lim⁡un=+∞\lim u_n = +\infty.

2.8 Convergence des suites monotones

Définition — Suites majorée, minorée, bornée
  • (un)(u_n) est majorée s'il existe MM tel que un⩽Mu_n \leqslant M pour tout nn.
  • (un)(u_n) est minorée s'il existe mm tel que un⩾mu_n \geqslant m pour tout nn.
  • (un)(u_n) est bornée si elle est à la fois majorée et minorée.
Théorème de convergence monotone
  • Si (un)(u_n) est croissante et majorée, alors elle converge.
  • Si (un)(u_n) est décroissante et minorée, alors elle converge.
Corollaire — Divergence vers l'infini
  • Si (un)(u_n) est croissante et non majorée, alors lim⁡un=+∞\lim u_n = +\infty.
  • Si (un)(u_n) est décroissante et non minorée, alors lim⁡un=−∞\lim u_n = -\infty.
Attention

Le théorème assure l'existence de la limite mais ne la donne pas. De plus, en passant à la limite, une inégalité stricte devient large : si un<2u_n \lt 2 pour tout nn, on obtient seulement ℓ⩽2\ell \leqslant 2.

2.9 Limite d'une suite définie par récurrence

Méthode — Le « point fixe »

Si (un)(u_n) vérifie un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) avec ff continue, et si (un)(u_n) converge vers ℓ\ell, alors ℓ\ell est solution de l'équation ℓ=f(ℓ)\ell = f(\ell). On prouve d'abord la convergence (suite monotone bornée), puis on résout.

Exemple complet

Soit (un)(u_n) : u0=2u_0 = 2 et un+1=13un+2u_{n+1} = \tfrac{1}{3}u_n + 2. On a déjà montré (§1.5) qu'elle est croissante et majorée par 33.

D'après le théorème de convergence monotone, (un)(u_n) converge vers un réel ℓ\ell. En passant à la limite dans un+1=13un+2u_{n+1} = \tfrac{1}{3}u_n + 2 :

ℓ=13ℓ+2  ⟺  23ℓ=2  ⟺  ℓ=3.\ell = \tfrac{1}{3}\ell + 2 \;\Longleftrightarrow\; \tfrac{2}{3}\ell = 2 \;\Longleftrightarrow\; \ell = 3.

La suite (un)(u_n) converge donc vers 33.

À retenir

Récurrence

  • Quatre étapes : énoncé, initialisation, hérédité, conclusion.
  • Sans initialisation, on démontre du faux.
  • Bernoulli : (1+a)n⩾1+na(1+a)^n \geqslant 1 + na pour a⩾0a \geqslant 0.

Limites

  • lim⁡1nk=0\lim \tfrac{1}{n^k} = 0 ; lim⁡nk=+∞\lim n^k = +\infty.
  • F.I. : ∞−∞\infty-\infty, 0×∞0\times\infty, ∞∞\frac{\infty}{\infty}, 00\frac{0}{0}.
  • Lever une F.I. : facteur dominant ou conjugué.

Outils puissants

  • Gendarmes (limite finie) et comparaison (limite infinie).
  • qnq^n : 00 si ∣q∣<1|q|\lt 1, +∞+\infty si q>1q\gt 1.
  • Monotone + bornée ⇒\Rightarrow converge ; point fixe ℓ=f(ℓ)\ell = f(\ell).