Suites et définition epsilon en L1 de maths : exercices corrigés

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Ces exercices suites L1 suivent l’ordre du cours et montent en difficulté. Les premiers font écrire des preuves avec epsilon sur des exemples explicites, puis calculer des limites usuelles et des récurrences linéaires.

La partie centrale entraîne aux gendarmes, aux suites adjacentes, aux suites extraites et aux récurrences de la forme u(n+1) = f(u(n)). Les derniers exercices demandent des démonstrations plus longues, dont la divergence de la suite des sinus et un problème complet selon la valeur initiale.

Cherchez chaque énoncé au brouillon avant de lire la solution. Rédigez ensuite au propre : en L1, la rédaction compte autant que le résultat. Enfin, comparez votre copie au corrigé détaillé, question par question.

Pour démarrer

Exercice 1 – Une suite homographique encadrée

Pour tout \(n \in \mathbb{N}\), on pose \(u_n = \dfrac{3n+2}{n+4}\).

  1. Déterminer deux réels \(\alpha\) et \(\beta\) tels que \(u_n = \alpha – \dfrac{\beta}{n+4}\) pour tout \(n\).
  2. Ensuite, en déduire que \((u_n)\) est croissante.
  3. Montrer que \((u_n)\) est bornée en donnant un minorant et un majorant explicites.
  4. Justifier que \((u_n)\) converge et donner sa limite.

Exercice 2 – Trouver le rang pour une précision donnée

On considère la suite définie par \(u_n = \dfrac{4n-1}{2n+5}\).

  1. Calculer \(|u_n – 2|\) pour tout \(n \in \mathbb{N}\).
  2. Démontrer avec la définition epsilon que \((u_n)\) converge vers 2.
  3. Déterminer le plus petit entier \(N\) tel que \(|u_n – 2| \leqslant 10^{-2}\) pour tout \(n \geqslant N\).

Exercice 3 – Une somme de racines entre deux gendarmes

Pour \(n \geqslant 1\), on pose \(u_n = \displaystyle\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{n^2 + 3k}}\).

  1. Encadrer chaque terme \(\dfrac{1}{\sqrt{n^2+3k}}\) pour \(1 \leqslant k \leqslant n\) par deux quantités indépendantes de \(k\).
  2. Par conséquent, en déduire un encadrement de \(u_n\).
  3. Déterminer la limite de \((u_n)\).

Exercice 4 – Tendre vers l’infini par la définition

  1. Montrer que \(\sqrt{n} \geqslant 6\) entraîne \(3\sqrt{n} \leqslant \dfrac{n}{2}\). Ensuite, en déduire, avec la définition, que \(v_n = n – 3\sqrt{n}\) tend vers \(+\infty\).
  2. Montrer que la suite \(w_n = (-1)^n n\) n’a pas de limite finie, et qu’elle ne tend ni vers \(+\infty\) ni vers \(-\infty\).
  3. Soit \((u_n)\) une suite qui tend vers \(+\infty\). Démontrer avec epsilon que \(\dfrac{1}{u_n}\) est défini à partir d’un certain rang et tend vers 0.

Exercice 5 – Récurrence linéaire à deux racines réelles

Soit \((u_n)\) définie par \(u_0 = 1\), \(u_1 = 8\) et \(u_{n+2} = u_{n+1} + 6u_n\) pour tout \(n\).

  1. Écrire l’équation caractéristique et la résoudre.
  2. Exprimer \(u_n\) en fonction de \(n\).
  3. Déterminer la limite de \((u_n)\), puis celle de \(\dfrac{u_n}{3^n}\).

Exercice 6 – Trois formes indéterminées classiques

Déterminer la limite de chacune des suites suivantes, en précisant la forme indéterminée levée.

  1. \(a_n = \sqrt{n^2 + 5n} – n\).
  2. \(b_n = \dfrac{2^n + 5^n}{3^n + 5^n}\).
  3. \(c_n = \dfrac{n^3 – 2n}{4n^3 + n^2 + 7}\).

Pour s’entraîner

Exercice 7 – Inverse d’une suite de limite non nulle

Soit \((u_n)\) une suite qui converge vers un réel \(\ell > 0\).

  1. Montrer qu’il existe un rang \(N_0\) tel que \(u_n \geqslant \dfrac{\ell}{2}\) pour tout \(n \geqslant N_0\).
  2. Établir, pour \(n \geqslant N_0\), l’inégalité \(\left|\dfrac{1}{u_n} – \dfrac{1}{\ell}\right| \leqslant \dfrac{2}{\ell^2}|u_n – \ell|\).
  3. Ainsi, en déduire avec epsilon que \(\dfrac{1}{u_n} \to \dfrac{1}{\ell}\).
  4. Étudier \(\dfrac{1}{u_n}\) lorsque \(u_n = \dfrac{1}{n+1}\), puis lorsque \(u_n = \dfrac{(-1)^n}{n+1}\). Que montrent ces exemples dans le cas \(\ell = 0\) ?

Exercice 8 – Deux preuves avec epsilon

  1. Montrer que \(\sqrt{n+3} – \sqrt{n} \leqslant \dfrac{3}{2\sqrt{n}}\) pour \(n \geqslant 1\). Puis en déduire avec epsilon que \(\sqrt{n+3} – \sqrt{n} \to 0\), puis donner un rang qui convient pour \(\varepsilon = 10^{-2}\).
  2. Démontrer avec epsilon que \(\dfrac{2n^2 + \sin n}{n^2 + 1} \to 2\).

Exercice 9 – Divergence par deux suites extraites

On pose \(u_n = \cos\left(\dfrac{n\pi}{3}\right)\). La figure représente ses premiers termes.

Premiers termes de la suite cos(n pi/3), qui reprend les mêmes six valeurs avec une période de 6
  1. Calculer \(u_0, u_1, \dots, u_5\), puis montrer que \(u_{n+6} = u_n\) pour tout \(n\).
  2. Étudier les suites extraites \((u_{6k})\) et \((u_{6k+3})\). Conclure sur la nature de \((u_n)\).
  3. Déterminer la limite de \(w_n = \dfrac{u_n}{n}\) pour \(n \geqslant 1\).

Exercice 10 – Une somme alternée et ses rangs pairs et impairs

Pour tout \(n \in \mathbb{N}\), on pose \(S_n = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{2k+1}\).

  1. Calculer \(S_{2n+2} – S_{2n}\) et \(S_{2n+3} – S_{2n+1}\), puis étudier leur signe.
  2. Montrer que les suites \((S_{2n})\) et \((S_{2n+1})\) sont adjacentes.
  3. Puis en déduire que \((S_n)\) converge.
  4. Calculer \(S_2\) et \(S_3\), puis en déduire un encadrement de la limite.

Exercice 11 – Moyennes harmonique et arithmétique adjacentes

On pose \(a_0 = 2\), \(b_0 = 8\) et, pour tout \(n\),

\[a_{n+1} = \frac{2a_n b_n}{a_n + b_n}, \qquad b_{n+1} = \frac{a_n + b_n}{2}.\]

  1. Montrer par récurrence que les deux suites sont bien définies et que \(0 < a_n \leqslant b_n\) pour tout \(n\).
  2. Étudier la monotonie de \((a_n)\) et de \((b_n)\).
  3. Établir que \(b_{n+1} – a_{n+1} \leqslant \dfrac{b_n – a_n}{2}\). Par conséquent, en déduire que les suites sont adjacentes.
  4. Calculer \(a_{n+1} b_{n+1}\) en fonction de \(a_n b_n\), puis déterminer la limite commune.

Exercice 12 – Un produit infini croissant et majoré

Pour \(n \geqslant 1\), on pose \(p_n = \displaystyle\prod_{k=1}^{n} \left(1 + \frac{1}{3^k}\right)\). On admet que \(1 + x \leqslant \mathrm{e}^x\) pour tout réel \(x\).

  1. Montrer que \((p_n)\) est croissante.
  2. Montrer que \(p_n \leqslant \sqrt{\mathrm{e}}\) pour tout \(n \geqslant 1\).
  3. Ensuite, en déduire que \((p_n)\) converge et encadrer sa limite.

Exercice 13 – Une récurrence à point fixe double

Soit \(u_0 = 3\) et \(u_{n+1} = 2 – \dfrac{1}{u_n}\) pour tout \(n\).

  1. Montrer que la suite est bien définie et que \(u_n > 1\) pour tout \(n\).
  2. Montrer que \(u_{n+1} – u_n = -\dfrac{(u_n – 1)^2}{u_n}\). Ainsi, en déduire la monotonie de \((u_n)\).
  3. Prouver que \((u_n)\) converge et déterminer sa limite.
  4. On pose \(v_n = \dfrac{1}{u_n – 1}\). Montrer que \((v_n)\) est arithmétique, puis exprimer \(u_n\) en fonction de \(n\).
  5. Déterminer le plus petit rang \(N\) tel que \(|u_n – 1| \leqslant 10^{-3}\) pour tout \(n \geqslant N\).

Exercice 14 – Racine double et racines complexes

Exprimer chaque suite en fonction de \(n\), puis étudier sa limite.

  1. \(u_0 = 3\), \(u_1 = 4\) et \(u_{n+2} = 4u_{n+1} – 4u_n\).
  2. \(v_0 = 2\), \(v_1 = 1\) et \(v_{n+2} = v_{n+1} – v_n\).
  3. \(w_0 = 0\), \(w_1 = 1\) et \(w_{n+2} = w_{n+1} – \dfrac{1}{2} w_n\).

Exercice 15 – Comparaison et limites infinies

  1. Pour \(n \geqslant 1\), on pose \(h_n = \displaystyle\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k}}\). Montrer que \(h_n \geqslant \sqrt{n}\), puis en déduire la limite de \((h_n)\).
  2. Montrer que \(0 < \dfrac{n!}{n^n} \leqslant \dfrac{1}{n}\) pour \(n \geqslant 1\). Ensuite, en déduire la limite.
  3. Montrer que \(\dfrac{2^n}{n!} \leqslant 2\left(\dfrac{2}{3}\right)^{n-2}\) pour \(n \geqslant 2\). Puis en déduire la limite.
  4. Déterminer la limite de \(z_n = \dfrac{n^2}{n + \cos n}\) pour \(n \geqslant 1\).

Pour approfondir

Exercice 16 – Moyennes de Cesàro

Soit \((u_n)_{n \geqslant 1}\) une suite réelle. On pose \(c_n = \dfrac{u_1 + u_2 + \dots + u_n}{n}\).

  1. On suppose \(u_n \to 0\). Soit \(\varepsilon > 0\) et \(N\) un rang tel que \(|u_n| \leqslant \dfrac{\varepsilon}{2}\) pour \(n > N\). Montrer que, pour \(n > N\), \(|c_n| \leqslant \dfrac{|u_1| + \dots + |u_N|}{n} + \dfrac{\varepsilon}{2}\). Conclure que \(c_n \to 0\).
  2. Par conséquent, en déduire que si \(u_n \to \ell\), alors \(c_n \to \ell\).
  3. Montrer que la réciproque est fausse.
  4. Application. Soit \((x_n)\) telle que \(x_0 = 0\) et \(x_{n+1} – x_n = \dfrac{3n+1}{n+2}\). Déterminer la limite de \(\dfrac{x_n}{n}\).

Exercice 17 – Récurrence par une fonction décroissante

Soit \(u_0 = 1\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\), avec \(f(x) = 1 + \dfrac{2}{x}\).

  1. Montrer que \([1, 3]\) est stable par \(f\). Par conséquent, en déduire que \(u_n \in [1, 3]\) pour tout \(n\).
  2. Calculer \(g = f \circ f\) sur \([1, 3]\) et montrer que \(g\) est croissante.
  3. Montrer que \((u_{2n})\) est croissante et que \((u_{2n+1})\) est décroissante.
  4. Déterminer les limites de ces deux suites extraites, puis conclure sur \((u_n)\).
  5. Montrer que \(u_n \in \left[\dfrac{5}{3}, 3\right]\) pour \(n \geqslant 1\), puis que \(|u_{n+1} – 2| \leqslant \dfrac{3}{5}|u_n – 2|\). Ainsi, en déduire \(|u_n – 2| \leqslant \left(\dfrac{3}{5}\right)^{n-1}\) pour \(n \geqslant 1\).

Exercice 18 – La suite des sinus des entiers diverge

On étudie la suite \(s_n = \sin n\). On rappelle que \(\pi > 3\).

  1. Justifier que \((s_n)\) possède une suite extraite convergente.
  2. Pour \(k \geqslant 1\), on pose \(I_k = \left[2k\pi + \dfrac{\pi}{4},\ 2k\pi + \dfrac{3\pi}{4}\right]\) et \(J_k = \left[2k\pi + \dfrac{5\pi}{4},\ 2k\pi + \dfrac{7\pi}{4}\right]\). Montrer que chacun de ces intervalles contient au moins un entier.
  3. On note \(n_k\) un entier de \(I_k\) et \(m_k\) un entier de \(J_k\). Montrer que \((n_k)\) et \((m_k)\) sont strictement croissantes.
  4. Montrer que \(s_{n_k} \geqslant \dfrac{\sqrt{2}}{2}\) et \(s_{m_k} \leqslant -\dfrac{\sqrt{2}}{2}\) pour tout \(k\).
  5. Ainsi, en déduire que \((\sin n)\) n’a pas de limite.

Exercice 19 – Problème : une famille de suites récurrentes

Soit \(f(x) = \dfrac{x^2 + 3}{4}\) et \(a\) un réel. On définit \((u_n)\) par \(u_0 = a\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\). La figure montre la courbe de \(f\) et la droite \(y = x\).

Courbe de la parabole (x²+3)/4 et droite y = x qui se coupent aux points fixes 1 et 3

Partie A : étude de \(f\).

  1. Déterminer les points fixes de \(f\) et le signe de \(f(x) – x\) selon \(x\).
  2. Montrer que \(f\) est croissante sur \([0, +\infty[\) et que les intervalles \([0, 1]\), \([1, 3]\) et \([3, +\infty[\) sont stables par \(f\).

Partie B : comportement selon \(a\).

  1. On suppose \(a \in [0, 1[\). Montrer que \((u_n)\) est croissante, puis qu’elle converge vers 1.
  2. On suppose \(a \in \,]1, 3[\). Montrer que \((u_n)\) est décroissante et converge vers 1.
  3. On suppose \(a > 3\). Montrer que \((u_n)\) tend vers \(+\infty\).
  4. Traiter les cas \(a \in \{1, 3\}\), puis le cas \(a < 0\).

Partie C : vitesse de convergence.

  1. On suppose \(a \in [0, 2]\). Montrer que \(u_n \in [0, 2]\) pour tout \(n\), puis que \(|u_{n+1} – 1| \leqslant \dfrac{3}{4}|u_n – 1|\).
  2. Puis en déduire que \(|u_n – 1| \leqslant \left(\dfrac{3}{4}\right)^n\). Déterminer un rang \(N\) à partir duquel \(|u_n – 1| \leqslant 10^{-6}\), sachant que \(\ln\left(\dfrac{3}{4}\right) \approx -0{,}2877\) et \(\ln\left(10^{-6}\right) \approx -13{,}82\).

Pour aller plus loin

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