Étude d’une suite itérative : corrigé du contrôle de maths en MPSI
Voici le corrigé du contrôle de maths en MPSI sur le thème « étude d’une suite itérative », question par question.
Cette correction est rédigée comme une copie de concours : chaque théorème est nommé, puis ses hypothèses sont vérifiées avant de conclure. Elle repose sur deux identités exactes, l’une pour la suite \((u_n)\), l’autre pour la suite de Newton, qui donnent l’écart au point fixe sans aucune approximation. Le dessin en escargot est tracé en entier, ce qui vous permet de comparer votre conjecture à la figure. Ensuite, l’argument des suites extraites est détaillé, car c’est le passage le plus souvent mal rédigé. Chaque exercice se termine par un barème précis et, quand c’est utile, par un piège classique. Enfin, la comparaison des deux vitesses conclut le sujet.
L’énoncé complet se trouve ici : Étude d’une suite itérative : contrôle de maths en MPSI.
Barème du contrôle corrigé : étude d’une suite itérative
| Exercice | Points |
|---|---|
| 1. Une fonction homographique et son point fixe | 3 points |
| 2. Premiers termes et dessin en escargot | 3,5 points |
| 3. Les termes pairs et les termes impairs | 4 points |
| 4. Vitesse de convergence | 4 points |
| 5. Problème : la méthode de Newton pour le même nombre | 5,5 points |
| Total | 20 points |
Le corrigé détaillé : étude d’une suite itérative
Exercice 1 – Une fonction homographique et son point fixe (3 points)
-
La fonction \(f\) est dérivable sur \(]-1, +\infty[\) comme inverse d’une fonction affine qui ne s’y annule pas, et \(f^{\prime}(x) = -\dfrac{3}{(1 + x)^2} < 0\). Ainsi \(f\) est strictement décroissante sur \(]-1, +\infty[\).
Pour \(x > -1\), on a \(1 + x > 0\), donc \(f(x) = x\) équivaut à \(3 = x(1 + x)\), c’est-à-dire à \(x^2 + x – 3 = 0\). Le discriminant vaut \(1 + 12 = 13\), d’où les deux racines \(\frac{-1 – \sqrt{13}}{2}\) et \(\frac{-1 + \sqrt{13}}{2}\). Or \(\sqrt{13} > 1\), donc la première est strictement inférieure à \(-1\) et se trouve hors du domaine. En revanche, la seconde est positive. Par conséquent, \(f\) a un unique point fixe \(\ell = \dfrac{\sqrt{13} – 1}{2}\).
-
D’une part, \(3{,}6^2 = 12{,}96 < 13\). D’autre part, \(\left(\frac{11}{3}\right)^2 = \frac{121}{9}\) et \(\frac{121}{9} > \frac{117}{9} = 13\). Comme la racine carrée est strictement croissante sur \([0, +\infty[\), on obtient \(3{,}6 < \sqrt{13} < \frac{11}{3}\).
On retranche alors \(1\), puis on divise par \(2\) : \(1{,}3 < \ell < \frac{4}{3}\), soit \(\frac{13}{10} < \ell < \frac{4}{3}\). Enfin, \(\ell\) est racine de \(x^2 + x – 3\), donc \(\ell^2 + \ell = 3\).
-
La fonction \(f\) est continue et décroissante sur le segment \(J\). Son image est donc \(f(J) = \left[f\left(\frac{3}{2}\right), f(1)\right] = \left[\frac{6}{5}, \frac{3}{2}\right]\). Or \(1 \leq \frac{6}{5}\), donc \(f(J) \subset J\) : l’intervalle \(J\) est stable par \(f\).
Montrons ensuite par récurrence la propriété « \(u_n\) existe et \(u_n \in J\) ». Elle est vraie au rang \(0\), car \(u_0 = 1\). Supposons-la vraie au rang \(n\). Alors \(u_n \in J \subset ]-1, +\infty[\), donc \(u_{n+1} = f(u_n)\) existe, et la stabilité donne \(u_{n+1} \in J\). Ainsi, pour tout \(n\), \(u_n\) est défini et \(1 \leq u_n \leq \frac{3}{2}\).
Piège classique : prouver la stabilité en calculant seulement \(f(1)\). Il faut contrôler l’image de tout le segment, ce que la monotonie et la continuité permettent ici en deux calculs.
Exercice 2 – Premiers termes et dessin en escargot (3,5 points)
-
On applique la relation de récurrence en gardant des fractions exactes :
\(u_1 = \frac{3}{1 + 1} = \frac{3}{2}\) ;
\(u_2 = \frac{3}{1 + \frac{3}{2}} = \frac{3}{\frac{5}{2}} = \frac{6}{5}\) ;
\(u_3 = \frac{3}{1 + \frac{6}{5}} = \frac{3}{\frac{11}{5}} = \frac{15}{11}\) ;
\(u_4 = \frac{3}{1 + \frac{15}{11}} = \frac{3}{\frac{26}{11}} = \frac{33}{26}\).Donc \(u_1 = \frac{3}{2}\), \(u_2 = \frac{6}{5}\), \(u_3 = \frac{15}{11}\) et \(u_4 = \frac{33}{26}\), fractions irréductibles puisque \(33 = 3 \times 11\) et \(26 = 2 \times 13\).
-
Depuis \((u_0, 0)\), on monte verticalement jusqu’à la courbe, au point \((u_0, u_1)\). Puis un segment horizontal rejoint la droite \(y = x\) en \((u_1, u_1)\), ce qui reporte \(u_1\) sur l’axe des abscisses. On recommence ensuite à partir de \(u_1\), et ainsi de suite.
Le tracé forme une spirale qui se resserre autour de \(\Lambda\). On conjecture donc que \((u_n)\) n’est pas monotone, que ses termes se placent alternativement de part et d’autre de \(\ell\), et qu’elle converge vers \(\ell \approx 1{,}3\).
-
Une identité exacte pour l’écart au point fixe
Soit \(x > -1\). On réduit au même dénominateur, puis on remplace \(3\) par \(\ell^2 + \ell\) :
\(f(x) – \ell = \dfrac{3 – \ell – \ell x}{1 + x} = \dfrac{\ell^2 + \ell – \ell – \ell x}{1 + x} = \dfrac{\ell^2 – \ell x}{1 + x}\), d’où \(f(x) – \ell = -\dfrac{\ell\,(x – \ell)}{1 + x}\).
Comme \(\ell > 0\) et \(1 + x > 0\), le réel \(f(x) – \ell\) est du signe contraire de \(x – \ell\). Or \(u_0 – \ell = 1 – \ell < 0\). Une récurrence immédiate montre alors que \(u_n – \ell\) est du signe de \((-1)^{n+1}\). Ainsi, \(u_{2n} < \ell < u_{2n+1}\) pour tout \(n\).
En particulier, \(u_{2n} < u_{2n+1}\) tandis que \(u_{2n+1} > u_{2n+2}\). La suite monte puis redescend à chaque pas, c’est pourquoi \((u_n)\) n’est pas monotone.
Piège classique : affirmer que la suite est monotone parce que \(f\) est monotone. Seule une fonction croissante donne une suite monotone ; une fonction décroissante produit au contraire des termes qui alternent.
Exercice 3 – Les termes pairs et les termes impairs (4 points)
-
Soit \(x \in J\). Comme \(J\) est stable, \(f(x) \in J\), donc \(g(x) = f(f(x))\) est bien défini. On calcule :
\(g(x) = \dfrac{3}{1 + \frac{3}{1 + x}} = \dfrac{3(1 + x)}{(1 + x) + 3}\), soit \(g(x) = \dfrac{3(1 + x)}{4 + x}\).
Ensuite, \(g\) est dérivable sur \(J\) et \(g^{\prime}(x) = \dfrac{3(4 + x) – 3(1 + x)}{(4 + x)^2} = \dfrac{9}{(4 + x)^2} > 0\). Par conséquent, \(g\) est strictement croissante sur \(J\), ce qui est cohérent avec la composée de deux fonctions décroissantes.
-
Tous les termes \(a_n\) et \(b_n\) appartiennent à \(J\), puisque ce sont des termes de \((u_n)\). Notons \(\mathcal{P}(n)\) la propriété « \(a_n \leq a_{n+1}\) ».
Initialisation. On a \(a_0 = u_0 = 1\) et \(a_1 = u_2 = \frac{6}{5}\), donc \(a_0 \leq a_1\).
Hérédité. Supposons \(a_n \leq a_{n+1}\). Comme ces deux réels sont dans \(J\) et que \(g\) y est croissante, on obtient \(g(a_n) \leq g(a_{n+1})\), c’est-à-dire \(a_{n+1} \leq a_{n+2}\).
Ainsi \((a_n)\) est croissante. De même, \(b_0 = u_1 = \frac{3}{2}\) et \(b_1 = u_3 = \frac{15}{11}\), avec \(\frac{15}{11} = \frac{30}{22} < \frac{33}{22} = \frac{3}{2}\), donc \(b_1 \leq b_0\). La même hérédité, appliquée avec l’inégalité inverse, montre alors que \((b_n)\) est décroissante.
-
Les limites des deux suites extraites
Ses termes restant dans \(J\), la suite croissante \((a_n)\) est bornée par \(\frac{3}{2}\) ; le théorème de la limite monotone lui donne ainsi une limite finie \(\alpha\). Pour la même raison, \((b_n)\), qui décroît en restant au-dessus de \(1\), possède une limite finie \(\beta\). De plus, \(J\) est un segment, donc un fermé : par passage à la limite dans les inégalités larges, \(\alpha \in J\) et \(\beta \in J\).
La fonction \(g\) est continue sur \(J\), en particulier en \(\alpha\). En passant à la limite dans \(a_{n+1} = g(a_n)\), on obtient donc \(\alpha = g(\alpha)\), par unicité de la limite. De même, \(\beta = g(\beta)\).
Pour \(x \in J\), l’égalité \(g(x) = x\) équivaut à \(3 + 3x = 4x + x^2\), soit \(x^2 + x – 3 = 0\). La seule racine située dans \(J\) est \(\ell\), l’autre étant négative. Ainsi \(\alpha = \beta = \ell\).
Enfin, les suites extraites \((u_{2n})\) et \((u_{2n+1})\) convergent vers la même limite \(\ell\). D’après le théorème sur les suites extraites de rangs pairs et impairs, \((u_n)\) converge vers \(\ell = \dfrac{\sqrt{13} – 1}{2}\).
Piège classique : oublier de résoudre \(g(x) = x\). Une fonction \(f \circ f\) peut avoir des points fixes que \(f\) ne possède pas (cycles d’ordre 2), et alors la suite ne converge pas.
Exercice 4 – Vitesse de convergence (4 points)
-
L’identité de l’exercice 2, appliquée en \(x = u_n\), donne \(|u_{n+1} – \ell| = \dfrac{\ell}{1 + u_n}\,|u_n – \ell|\). Or \(u_n \geq 1\), donc \(1 + u_n \geq 2\), et \(\ell < \frac{4}{3}\). Par conséquent \(\dfrac{\ell}{1 + u_n} \leq \dfrac{4}{3} \times \dfrac{1}{2} = \dfrac{2}{3}\), d’où \(|u_{n+1} – \ell| \leq \frac{2}{3}\,|u_n – \ell|\).
Une récurrence immédiate donne ensuite \(|u_n – \ell| \leq \left(\frac{2}{3}\right)^n |u_0 – \ell|\). De plus, \(|u_0 – \ell| = \ell – 1 < \frac{4}{3} – 1 = \frac{1}{3}\). Ainsi \(|u_n – \ell| \leq \frac{1}{3}\left(\frac{2}{3}\right)^n\).
Enfin, \(\left(\frac{2}{3}\right)^3 = \frac{8}{27} < \frac{9}{27} = \frac{1}{3}\). Donc \(\left(\frac{2}{3}\right)^{18} = \left(\left(\frac{2}{3}\right)^3\right)^6 < \frac{1}{3^6}\), puis \(|u_{18} – \ell| < \frac{1}{3^7} = \frac{1}{2187} < 10^{-3}\). Par conséquent, \(u_{18}\) approche \(\ell\) à \(10^{-3}\) près.
-
Par récurrence, chaque \(u_n\) est rationnel : c’est vrai pour \(u_0 = 1\), et si \(u_n\) est un rationnel de \(J\), alors \(\frac{3}{1 + u_n}\) l’est aussi. En revanche, \(\ell\) est irrationnel. En effet, si \(\ell\) était rationnel, \(\sqrt{13} = 2\ell + 1\) le serait aussi. Écrivons alors \(\sqrt{13} = \frac{p}{q}\) avec \(p\) et \(q\) entiers premiers entre eux. On aurait \(p^2 = 13q^2\), donc le nombre premier \(13\) diviserait \(p\), puis \(13^2\) diviserait \(13q^2\), si bien que \(13\) diviserait aussi \(q\) : c’est absurde. Ainsi \(\varepsilon_n \neq 0\) pour tout \(n\).
Le rapport asymptotique des écarts
L’identité de l’exercice 2 s’écrit \(\varepsilon_{n+1} = -\dfrac{\ell}{1 + u_n}\,\varepsilon_n\), et l’on peut diviser par \(\varepsilon_n\). Comme \(u_n\) tend vers \(\ell\) et que \(1 + \ell \neq 0\), le quotient \(\varepsilon_{n+1} / \varepsilon_n\) tend vers \(-\dfrac{\ell}{1 + \ell}\). Or \(\dfrac{\ell}{1 + \ell} = \dfrac{\ell^2}{\ell + \ell^2} = \dfrac{\ell^2}{3}\). Finalement, \(\varepsilon_{n+1} / \varepsilon_n\) tend vers \(-\dfrac{\ell^2}{3}\).
Notons aussi que \(\frac{\ell^2}{3} = \frac{3 – \ell}{3} = 1 – \frac{\ell}{3}\), compris entre \(\frac{5}{9}\) et \(\frac{17}{30}\). L’écart est donc multiplié à peu près par \(-0{,}56\) à chaque itération : la convergence est géométrique, avec des termes qui changent de côté à chaque pas.
-
D’après la question précédente, \(|\varepsilon_{n+1}| / |\varepsilon_n|\) tend vers \(\frac{\ell^2}{3}\), et \(\frac{\ell^2}{3} < q\). Par définition de la limite, il existe donc un rang \(N\) tel que \(|u_{n+1} – \ell| \leq q\,|u_n – \ell|\) pour tout \(n \geq N\).
Par récurrence à partir du rang \(N\), on obtient alors \(|u_n – \ell| \leq q^{n – N}\,|u_N – \ell|\). Il suffit ensuite de poser \(C = \dfrac{|u_N – \ell|}{q^N}\), qui est strictement positif puisque \(u_N \neq \ell\). Ainsi \(|u_n – \ell| \leq C q^n\) pour tout \(n \geq N\).
Piège classique : diviser par \(u_n – \ell\) sans avoir prouvé qu’il ne s’annule jamais. Ici, l’argument de rationalité règle la question en quelques lignes.
Exercice 5 – Problème : la méthode de Newton pour le même nombre (5,5 points)
-
La fonction \(\varphi\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et \(\varphi^{\prime}(a) = 2a + 1\). Pour \(a > -\frac{1}{2}\), ce nombre est strictement positif, donc la tangente \(T\) d’équation \(y = \varphi(a) + (2a + 1)(x – a)\) n’est pas horizontale. Elle coupe alors l’axe des abscisses en un unique point, d’abscisse \(x = a – \dfrac{\varphi(a)}{2a + 1}\).
On réduit au même dénominateur : \(a – \dfrac{a^2 + a – 3}{2a + 1} = \dfrac{2a^2 + a – a^2 – a + 3}{2a + 1}\). Ainsi \(N(a) = \dfrac{a^2 + 3}{2a + 1}\).
-
Soit \(x > -\frac{1}{2}\). On utilise encore \(3 – \ell = \ell^2\) :
\(N(x) – \ell = \dfrac{x^2 + 3 – 2\ell x – \ell}{2x + 1} = \dfrac{x^2 – 2\ell x + \ell^2}{2x + 1}\), donc \(N(x) – \ell = \dfrac{(x – \ell)^2}{2x + 1}\).
Comme \(2x + 1 > 0\), on en déduit \(N(x) \geq \ell\), avec \(\ell > -\frac{1}{2}\). Montrons alors par récurrence que \(v_n\) existe et vérifie \(v_n \geq \ell\). D’abord, \(v_0 = 2 \geq \ell\). Ensuite, si \(v_n \geq \ell\), alors \(v_n > -\frac{1}{2}\), donc \(v_{n+1} = N(v_n)\) existe et vérifie \(v_{n+1} \geq \ell\). Ainsi tous les termes \(v_n\) existent et sont supérieurs ou égaux à \(\ell\).
-
Monotonie et limite de la suite de Newton
Pour \(x > -\frac{1}{2}\), on a \(N(x) – x = \dfrac{x^2 + 3 – 2x^2 – x}{2x + 1} = -\dfrac{\varphi(x)}{2x + 1}\). Or \(\varphi(x) = (x – \ell)(x – \ell_2)\), où \(\ell_2 = \frac{-1 – \sqrt{13}}{2}\) est négatif. Donc \(\varphi(x) \geq 0\) lorsque \(x \geq \ell\), et par suite \(N(x) \leq x\). Appliqué à \(x = v_n\), ce résultat donne \(v_{n+1} \leq v_n\) : \((v_n)\) est décroissante.
Bornée inférieurement par \(\ell\) et décroissante, \((v_n)\) admet alors, par le théorème de la limite monotone, une limite finie \(L\), et l’inégalité large passe à la limite : \(L \geq \ell\). De plus, le quotient \(N\) a pour dénominateur \(2x + 1\), strictement positif sur \([\ell, +\infty[\) ; il y est donc continu, notamment en \(L\). En passant à la limite dans \(v_{n+1} = N(v_n)\), on obtient \(N(L) = L\), c’est-à-dire \(\varphi(L) = 0\). Puisque \(L \geq \ell > 0\), on conclut que \((v_n)\) converge vers \(\ell\).
-
Pour tout \(n\), on a \(v_n \geq \ell > 1\), donc \(2v_n + 1 > 3\). L’identité de la question 2 donne alors \(0 \leq v_{n+1} – \ell \leq \frac{1}{3}(v_n – \ell)^2\).
On calcule ensuite \(v_1 = N(2) = \frac{4 + 3}{5}\), soit \(v_1 = \frac{7}{5}\). Montrons alors par récurrence que \(v_n – \ell \leq 3 \times 30^{-2^{n-1}}\) pour \(n \geq 1\).
Initialisation. Puisque \(\ell > \frac{13}{10}\), on a \(v_1 – \ell < \frac{14}{10} – \frac{13}{10} = \frac{1}{10}\). Or \(3 \times 30^{-2^0} = \frac{3}{30} = \frac{1}{10}\), donc la propriété est vraie au rang \(1\).
Hérédité. Si \(v_n – \ell \leq 3 \times 30^{-2^{n-1}}\), on élève au carré des nombres positifs, puis \(v_{n+1} – \ell \leq \frac{1}{3} \times 9 \times 30^{-2^{n}} = 3 \times 30^{-2^{n}}\). Ainsi \(v_n – \ell \leq 3 \times 30^{-2^{n-1}}\) pour tout \(n \geq 1\).
-
Comparaison des deux méthodes
On calcule \(v_2 = N\left(\frac{7}{5}\right) = \dfrac{\frac{49}{25} + \frac{75}{25}}{\frac{14}{5} + 1} = \dfrac{124}{25} \times \dfrac{5}{19}\), donc \(v_2 = \frac{124}{95}\).
D’une part, \(v_3 – \ell \leq 3 \times 30^{-4} = \frac{3}{810000} = \frac{1}{270000} < 10^{-5}\) : trois itérations de Newton suffisent. D’autre part, la majoration de l’exercice 4 donne \(|u_n – \ell| < 3^{-(k+1)}\) pour \(n = 3k\). Or \(3^{10} = 59049\) et \(3^{11} = 177147\), donc il faut aller jusqu’à \(k = 10\), c’est-à-dire jusqu’au rang \(30\). La méthode de Newton atteint \(10^{-5}\) dès \(v_3\), alors que la majoration garantit seulement \(u_{30}\) : sa convergence est quadratique, tandis que celle de \((u_n)\) n’est que géométrique.
Piège classique : conclure \(L = \ell\) sans écarter la racine négative de \(\varphi\). C’est la minoration \(v_n \geq \ell\), conservée par passage à la limite, qui l’élimine.
À retenir de ce contrôle
- Pour une fonction continue et décroissante sur un segment, l’image du segment s’obtient en échangeant les images des bornes, ce qui donne vite un intervalle stable.
- Quand f est décroissante, f∘f est croissante : les suites des termes pairs et impairs sont alors monotones, de sens contraires.
- Une limite finie d’une suite itérative est un point fixe, à condition que f soit continue en cette limite et que celle-ci reste dans le domaine.
- Une majoration du type |u(n+1) − ℓ| ≤ k|u(n) − ℓ| avec k dans [0, 1[ donne une erreur géométrique, donc environ une décimale gagnée toutes les quelques itérations.
- Pour la méthode de Newton, l’écart au point fixe est contrôlé par le carré de l’écart précédent : le nombre de décimales exactes double environ à chaque étape.
Revenir à l’énoncé du contrôle
Consolider étude d’une suite itérative après ce corrigé
Pour ne plus perdre de points sur ce thème, relisez le cours suites définies par u(n+1) = f(u(n)) et points fixes ; entraînez-vous sur les exercices suites définies par u(n+1) = f(u(n)) et points fixes.
D’autres évaluations corrigées vous attendent sur la page contrôles de maths en MPSI.
Autres corrigés sur le même thème
Télécharger ou imprimer cette fiche «Étude d'une suite itérative : corrigé du contrôle de maths en MPSI» au format PDF afin de pouvoir travailler en totale autonomie.
Ressources de maths en Maths sup (MPSI)
Cours
Tout voirExercices corrigés
Tout voirContrôles
Tout voirQCM
Tout voir


























