MATHÉMATIQUES · Première Spécialité
Suites numériques : définition, arithmétique, géométrique, variations et limites
Cours complet du programme français de Première : modes de génération d'une suite, suites arithmétiques, suites géométriques, calcul de sommes, sens de variation, notion intuitive de limite et exercices types corrigés.
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OBJECTIFS DU CHAPITRE
Ce que l’élève doit maîtriser
Compétence 1
Distinguer une suite définie par une formule explicite d’une suite définie par récurrence et calculer leurs termes.
Compétence 2
Maîtriser les suites arithmétiques : caractérisation, forme explicite , alignement graphique et somme des premiers entiers.
Compétence 3
Maîtriser les suites géométriques : caractérisation, forme explicite et somme des premières puissances.
Compétence 4
Déterminer le sens de variation d’une suite en appliquant la méthode adaptée (différence , quotient, fonction associée).
Compétence 5
Conjecturer graphiquement ou numériquement la limite finie ou infinie d’une suite lorsque tend vers .
# Modes de génération d'une suite
Suite numérique et vocabulaire
Une suite numérique est une fonction définie sur l’ensemble des entiers naturels (ou pour ) et à valeurs dans .
- L’image d’un entier est notée (se lit « indice ») et s’appelle le terme de rang (ou terme général).
- La suite est notée globalement ou .
- Dans un repère, une suite est représentée par un nuage de points isolés de coordonnées . On ne relie jamais les points d’une suite par un trait continu.
Formule explicite versus Relation de récurrence
- Formule explicite : .
Chaque terme se calcule directement à partir de son rang , sans avoir besoin de connaître les termes antérieurs.
Exemple : .
- Relation de récurrence : avec un premier terme fixé.
Chaque terme se calcule de proche en proche à partir du terme qui le précède.
Exemple : et , puis .
# Suites arithmétiques et somme des premiers entiers
Suite arithmétique
Soit . Une suite est dite arithmétique s’il existe un nombre réel , appelé raison de la suite, tel que pour tout entier naturel :
Pour passer d’un terme au suivant, on ajoute toujours la même constante . La différence est constante.
Formules explicites d'une suite arithmétique
Soit une suite arithmétique de raison :
- À partir du premier terme : pour tout ,
- À partir d’un terme quelconque : pour tous entiers naturels et ,
- Représentation graphique : dans un repère, les points d’une suite arithmétique sont strictement alignés sur la droite d’équation .
Somme des premiers entiers consécutifs
Pour tout entier naturel :
Formule générale pour toute suite arithmétique :
# Suites géométriques et somme des premières puissances
Suite géométrique
Soit . Une suite est dite géométrique s’il existe un nombre réel , appelé raison de la suite, tel que pour tout entier naturel :
Pour passer d’un terme au suivant, on multiplie toujours par la même constante . Si tous les termes sont non nuls, le quotient est constant.
Formules explicites d'une suite géométrique
Soit une suite géométrique de premier terme et de raison :
- À partir du premier terme : pour tout ,
- À partir d’un terme quelconque : pour tous entiers naturels et ,
Somme des premières puissances d'un réel $q$
Pour tout réel et pour tout entier naturel :
Formule générale pour toute suite géométrique () :
# Sens de variation d'une suite
Sens de variation
Soit une suite numérique définie pour :
- est croissante si pour tout , (strictement croissante si ).
- est décroissante si pour tout , (strictement décroissante si ).
- est constante si pour tout , .
- Une suite est dite monotone lorsqu’elle est soit croissante, soit décroissante.
Trois méthodes d'étude du sens de variation
- Méthode universelle (Signe de la différence ) :
On calcule et on étudie son signe.
- Si , la suite est croissante.
- Si , la suite est décroissante.
- Méthode du quotient (pour une suite à termes strictement positifs ) :
On calcule le quotient et on le compare au nombre 1.
- Si , la suite est croissante.
- Si , la suite est décroissante.
- Méthode de la fonction associée (Formule explicite ) :
Si la fonction est dérivable et monotone sur , alors la suite a le même sens de variation que la fonction .
Variations des suites arithmétiques et géométriques
- Suite arithmétique de raison :
- Si , la suite est strictement croissante.
- Si , la suite est strictement décroissante.
- Si , la suite est constante.
- Suite géométrique de type avec :
- Si , la suite est strictement croissante.
- Si , la suite est strictement décroissante.
- Si , la suite est constante ().
- Si , la suite alterne de signe et n’est pas monotone.
Pour une suite (), le sens est inversé si .
# Notion intuitive de limite d'une suite
Comportement asymptotique
S’intéresser à la limite d’une suite , c’est observer le comportement des termes lorsque le rang devient arbitrairement grand (« lorsque tend vers »).
Les trois comportements asymptotiques
- Limite finie (Convergence) :
Les termes se rapprochent aussi près que l’on veut d’un nombre réel fixe . On dit que la suite converge vers et on note :
Exemples : et .
- Limite infinie (Divergence vers l’infini) :
Les termes deviennent aussi grands que l’on veut. On note :
Exemples : et .
- Absence de limite (Divergence par oscillation) :
Certaines suites ne se stabilisent vers aucune valeur finie ni ne partent à l’infini.
Exemple : oscille indéfiniment entre et et n’admet pas de limite.
# Tableau comparatif : Arithmétique versus Géométrique
Synthèse générale des suites du programme
# Exercices d'application du cours (avec solutions)
Application 1 : Calculer des termes d'une suite (Section 1)
- Soit la suite définie pour tout entier naturel par : .
- a. Calculer le terme de rang 5, puis le 10e terme.
- b. Déterminer l’expression en fonction de des termes et .
- Soit la suite définie par et, pour tout , . Calculer .
- Soit la suite définie par et, pour tout , . Calculer .
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- a. Le terme de rang 5 est :
Le premier terme de la suite étant (terme de rang 0), le 10e terme est le terme de rang 9, noté :
b. Pour , on remplace chaque occurrence de par :
Pour , on remplace par :
- Pour calculer , on calcule successivement les termes de proche en proche :
- De même pour :
Application 2 : Algorithmes Python et modes de génération (Section 1)
On considère les fonctions Python :
terme_u(n)avec bouclefor k in range(n): u = 1/u - 1et initialisationu = 1/3.terme_v(n)avec instruction directereturn n**2 - 2*n + 1/n.terme_w(n)avec initialisationw = 5et bouclefor k in range(1, n+1): w = w + 3*(k - 1).
- Qu’obtient-on lorsqu’on appelle
terme_u(3),terme_v(5)etterme_w(4)dans la console ? - Préciser les modes de génération des suites associées à chacune de ces trois fonctions.
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- Valeurs renvoyées par les appels dans la console :
- Pour
terme_u(3): - Initialisation : .
- : .
- : .
- : .
L’appel renvoie .
- Pour
terme_v(5):
L’appel renvoie .
- Pour
terme_w(4): - Initialisation : .
- : .
- : .
- : .
- : .
L’appel renvoie .
- Modes de génération des trois suites :
- La suite est définie par récurrence : et .
- La suite est définie par formule explicite : pour tout entier , .
- La suite est définie par récurrence : et .
Application 3 : Reconnaître une suite arithmétique (Section 2)
- La suite définie par pour tout , est-elle arithmétique ?
- La suite définie par pour tout , est-elle arithmétique ?
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- Calculons les premiers termes de la suite :
, , .
On observe que :
Comme , la différence entre deux termes consécutifs n’est pas constante.
La suite n’est donc pas arithmétique.
- Simplifions d’abord l’expression de :
Calculons la différence pour tout :
La différence est constante et égale à pour tout entier .
La suite est donc une suite arithmétique de raison et de premier terme .
Application 4 : Étudier une suite arithmétique et problème de la spirale (Section 2)
- Soit la suite définie par et, pour tout , .
- a. Donner la formule explicite de . En déduire la valeur de .
- b. Un terme de la suite vaut-il ?
- On construit une ligne brisée formée de segments perpendiculaires en « spirale ». Le 1er segment a pour longueur et chaque segment est plus long de que le segment précédent.
Quelle est la longueur de cette ligne brisée lorsqu’on a tracé 25 segments ?
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- a. La suite est arithmétique de premier terme et de raison .
Sa formule explicite est donc :
Pour :
b. On cherche s’il existe un entier naturel tel que :
Comme n’est pas un entier naturel, aucun terme de la suite n’est égal à .
- La longueur du -ième segment tracé est égale à . La longueur totale après avoir tracé 25 segments est la somme des 25 premiers entiers naturels :
La ligne brisée mesure exactement (soit ).
Application 5 : Suites géométriques et problème de l'échiquier (Section 3)
- Indiquer si les suites suivantes sont géométriques :
- a. pour tout .
- b. pour tout .
- Soit définie par et .
- a. Donner la formule explicite de . En déduire la valeur exacte puis arrondie à l’unité de .
- b. Déterminer le rang du premier terme qui dépasse 100.
- Sur un échiquier de 64 cases, on place 1 grain de riz sur la première case, 2 sur la deuxième, 4 sur la troisième, et on continue en doublant à chaque case.
- a. Combien y a-t-il de grains sur la dernière case ?
- b. Combien y a-t-il de grains sur l’échiquier au total ?
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- a. Calculons les premiers termes : , , .
Les rapports ne sont pas égaux, donc n’est pas géométrique.
b. .
Pour tout :
Le quotient est constant : est une suite géométrique de raison et de premier terme .
- a. est géométrique de premier terme et de raison .
Formule explicite :
Pour :
b. On cherche le plus petit entier tel que .
Calculons les termes successifs :
.
Le rang du premier terme dépassant 100 est donc .
- a. Le nombre de grains sur la case est donné par la suite géométrique avec .
Sur la 64e case (), il y a :
b. Le nombre total de grains sur l’échiquier est la somme des 64 premiers termes :
Application 6 : Étudier le sens de variation d'une suite (Section 4)
- La suite est définie pour tout entier naturel par . Montrer que est croissante.
- La suite est définie par et . Montrer que est décroissante.
- Déterminer la nature et le sens de variation des suites suivantes :
- a. et pour tout .
- b. et pour tout .
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- Calculons la différence pour tout :
Comme est un entier naturel (), on a .
Puisque pour tout , la suite est strictement croissante.
- On exprime la différence à partir de la relation de récurrence :
Pour tout entier naturel , , donc .
La différence étant toujours négative ou nulle, la suite est décroissante.
- a. La suite est arithmétique de raison .
Puisque , la suite est strictement décroissante.
b. La suite est géométrique de raison et de premier terme .
Formule explicite : .
Comme , la suite est strictement décroissante et strictement positive.
En multipliant par , l’ordre est inversé : la suite est strictement croissante.
Application 7 : Conjecturer une limite à l'aide d'un outil (Section 5)
- Soit définie par et .
Calculer et conjecturer l’existence ou non d’une limite pour la suite .
- Soit définie par et .
À l’aide d’un algorithme ou de la calculatrice, calculer et , puis conjecturer .
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- Calculons les premiers termes :
La suite oscille indéfiniment entre les valeurs et . Elle ne se rapproche d’aucun nombre réel fixe : on conjecture que la suite n’admet aucune limite quand .
- Programmation et calculs successifs :
- Pour :
- Pour :
Les termes prennent des valeurs négatives aussi grandes en valeur absolue que l’on veut lorsque grandit : on conjecture que :