Suites itératives et point fixe en maths sup (MPSI) : exercices corrigés
Ces exercices itératives MPSI entraînent toutes les étapes du plan d’étude d’une suite \(u_{n+1} = f(u_n)\). Les premiers énoncés font chercher un intervalle stable, les points fixes et le sens de variation. Ensuite viennent le cas d’une fonction décroissante, les cycles d’ordre 2 et les études avec paramètre.
La dernière partie porte sur la vitesse de convergence : contraction, estimation de l’erreur et méthode de Newton, avec un problème complet qui compare trois méthodes. Les énoncés sont classés en trois niveaux : démarrage, entraînement et approfondissement.
Nous conseillons de rédiger chaque exercice entièrement, comme en devoir surveillé, avant de consulter le corrigé séparé. Ensuite, refaites les exercices manqués quelques jours plus tard, sans aide. Enfin, gardez une trace des pièges rencontrés : ce sont souvent les mêmes en colle.
Pour démarrer
Exercice 1 – Intervalle stable d’une homographie
On pose \(f(x) = \dfrac{3x + 2}{x + 2}\) pour \(x > -2\), puis \(u_0 = 0\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\).
- Étudier les variations de \(f\) sur \([0, +\infty[\) et montrer que \(f([0, +\infty[) \subset [1, 3[\).
- Ensuite, déterminer les points fixes de \(f\).
- Montrer que \([0, 2]\) est stable par \(f\). En déduire que \(u_n \in [0, 2]\) pour tout \(n\).
- Enfin, étudier le signe de \(f(x) – x\) sur \([0, 2]\). En déduire que \((u_n)\) converge et donner sa limite.
Exercice 2 – Suite définie par une racine carrée
On pose \(f(x) = \sqrt{4x + 5}\) pour \(x \geqslant -\dfrac{5}{4}\), et \(u_{n+1} = f(u_n)\).
- D’abord, déterminer les points fixes de \(f\).
- On suppose ensuite \(u_0 = 1\). Montrer que \([0, 5]\) est stable, que \((u_n)\) est croissante, puis déterminer sa limite.
- On suppose enfin \(u_0 = 11\). Montrer que \([5, +\infty[\) est stable, que \((u_n)\) est décroissante, puis déterminer sa limite.
Exercice 3 – Escalier ou escargot sur deux droites
On considère \(f_1(x) = \dfrac{x}{2} + 1\) et \(f_2(x) = 3 – \dfrac{x}{2}\). On définit \(u_0 = v_0 = 0\), \(u_{n+1} = f_1(u_n)\) et \(v_{n+1} = f_2(v_n)\). La figure ci-dessous représente les deux droites et la bissectrice.

- D’abord, calculer \(u_1, u_2, u_3, u_4\) et \(v_1, v_2, v_3, v_4\).
- Reproduire la figure et y construire les premiers termes des deux suites. Laquelle donne un escalier, laquelle un escargot ? Justifier ensuite par la monotonie de \(f_1\) et de \(f_2\).
- Montrer que \(u_n = 2 – 2 \cdot 2^{-n}\) et \(v_n = 2 – 2\left(-\dfrac{1}{2}\right)^n\). Enfin, comparer les deux convergences.
Exercice 4 – Une suite sans point fixe
On pose \(f(x) = x + \mathrm{e}^{-x}\) sur \(\mathbb{R}\), on choisit \(u_0 \in \mathbb{R}\) et on pose \(u_{n+1} = f(u_n)\).
- D’abord, montrer que \((u_n)\) est strictement croissante.
- Montrer ensuite que \(f\) n’a aucun point fixe.
- Par conséquent, déterminer la limite de \((u_n)\).
- Vérifier que \(f\) n’est pas monotone sur \(\mathbb{R}\). Expliquer cependant pourquoi cela ne gêne pas le raisonnement.
Exercice 5 – Contraction par l’arctangente
On pose \(f(x) = 2 + \dfrac{1}{3}\arctan x\), \(u_0 = 2\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\). On note \(J = \left[2 – \dfrac{\pi}{6}, 2 + \dfrac{\pi}{6}\right]\).
- Montrer que \(f(\mathbb{R}) \subset J\). En déduire que \(J\) est stable.
- Montrer de plus que \(f\) est \(\dfrac{1}{3}\)-lipschitzienne sur \(\mathbb{R}\).
- Ainsi, montrer que \(f\) admet un unique point fixe \(\ell\) et que \(|u_n – \ell| \leqslant \dfrac{\pi}{6} \cdot 3^{-n}\).
- Enfin, déterminer un rang \(n\) qui garantit \(|u_n – \ell| \leqslant 10^{-4}\).
Pour s’entraîner
Exercice 6 – Fonction décroissante et suites extraites
On pose \(f(x) = \dfrac{6}{1 + x}\) pour \(x \geqslant 0\), \(u_0 = 1\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\).
- Montrer que \(f\) est décroissante et que \([1, 3]\) est stable par \(f\).
- Ensuite, calculer \(f \circ f\) et déterminer ses points fixes.
- Montrer que \((u_{2n})\) est croissante et que \((u_{2n+1})\) est, en revanche, décroissante.
- Par conséquent, montrer que \((u_n)\) converge et donner sa limite.
- Montrer que \(f\) n’est pas contractante sur \([1, 3]\), mais qu’elle l’est sur \(\left[\dfrac{3}{2}, 3\right]\). Retrouver ainsi la convergence.
Exercice 7 – Un cycle d’ordre 2
On pose \(f(x) = 1 – x^2\) sur \([0, 1]\), \(u_0 = \dfrac{1}{2}\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\). On note \(\ell = \dfrac{-1 + \sqrt{5}}{2} \approx 0{,}618\).
- Montrer que \([0, 1]\) est stable, que \(f\) y est décroissante et que \(\ell\) est son unique point fixe dans \([0, 1]\).
- Vérifier ensuite que \((f \circ f)(x) – x = -x(x – 1)(x^2 + x – 1)\).
- Montrer que \([0, \ell]\) est stable par \(f \circ f\), puis que \((u_{2n})\) décroît et tend vers \(0\).
- En déduire la limite de \((u_{2n+1})\). La suite \((u_n)\) converge-t-elle ?
- Enfin, calculer \(f^{\prime}(\ell)\) et interpréter le résultat.
Exercice 8 – Point fixe attractif et point fixe répulsif
On pose \(f(x) = \dfrac{x^2 + 8}{6}\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\).
- Déterminer les points fixes de \(f\) et la valeur de \(f^{\prime}\) en chacun d’eux.
- On suppose \(u_0 \in [0, 4[\). Montrer que \((u_n)\) converge vers \(2\). On distinguera \(u_0 \leqslant 2\) et \(u_0 > 2\).
- Étudier les cas \(u_0 = 4\) et \(u_0 > 4\).
- Que se passe-t-il si \(u_0 < 0\) ?
- On suppose \(u_0 = 3\). Montrer que \(|u_{n+1} – 2| \leqslant \dfrac{5}{6}\,|u_n – 2|\), puis que \(\dfrac{u_{n+1} – 2}{u_n – 2} \to \dfrac{2}{3}\). Donner un rang à partir duquel \(|u_n – 2| \leqslant 10^{-3}\).
Exercice 9 – Méthode de Newton pour la racine carrée de 11
On applique la méthode de Newton à \(h(x) = x^2 – 11\) en partant de \(x_0 = 4\). On note \(\alpha = \sqrt{11}\).
- Montrer que \(x_{n+1} = \dfrac{1}{2}\left(x_n + \dfrac{11}{x_n}\right)\).
- Montrer que \(x_{n+1} – \alpha = \dfrac{(x_n – \alpha)^2}{2x_n}\).
- En déduire que \(x_n \geqslant \alpha\) pour tout \(n\), que \((x_n)\) décroît et qu’elle converge vers \(\alpha\).
- Montrer que \(x_{n+1} – \alpha \leqslant \dfrac{(x_n – \alpha)^2}{6}\). En utilisant \(3{,}3 < \alpha\), déterminer un rang qui garantit une erreur inférieure à \(10^{-12}\).
Exercice 10 – Une convergence lente vers 0
On pose \(f(x) = \dfrac{x}{1 + x^2}\), \(u_0 = 1\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\).
- Établir la positivité stricte de chaque terme. Prouver ensuite que la suite décroît, puis trouver sa limite.
- Montrer que \(\dfrac{1}{u_{n+1}^2} = \dfrac{1}{u_n^2} + 2 + u_n^2\).
- En déduire que \(\dfrac{1}{\sqrt{3n + 1}} \leqslant u_n \leqslant \dfrac{1}{\sqrt{2n + 1}}\) pour tout \(n\).
- Calculer \(f^{\prime}(0)\) et la limite de \(\dfrac{u_{n+1}}{u_n}\). Expliquer pourquoi la convergence n’est pas géométrique.
Exercice 11 – Points fixes non explicites avec l’exponentielle
On pose \(f(x) = \mathrm{e}^x – 2\) sur \(\mathbb{R}\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\).
- Montrer que \(f\) admet exactement deux points fixes \(a < b\), avec \(a \in \, ]-2, -1[\) et \(b \in \, ]1, 2[\).
- Étudier la suite selon la position de \(u_0\) : \(u_0 < a\), \(u_0 \in \, ]a, b[\), \(u_0 \in \{a, b\}\) et \(u_0 > b\).
- Montrer que \([-2, -1]\) est stable et que \(f\) y est \(\mathrm{e}^{-1}\)-contractante. Pour \(u_0 = -1\), en déduire \(|u_n – a| \leqslant \mathrm{e}^{-n}\).
- Calculer \(f^{\prime}(a)\) et \(f^{\prime}(b)\), puis commenter le résultat de la question 2.
Exercice 12 – Étude selon un paramètre
Soit \(a \geqslant 0\). On pose \(f(x) = \dfrac{x^2 + a}{2}\), \(u_0 = 0\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\).
- On suppose \(a \in [0, 1]\). Déterminer les points fixes \(\ell \leqslant \ell^{\prime}\) de \(f\).
- Toujours pour \(a \in [0, 1]\), montrer que \([0, \ell]\) est stable, que \((u_n)\) est croissante, puis qu’elle converge vers \(\ell = 1 – \sqrt{1 – a}\).
- On suppose \(a > 1\). Montrer que \(u_{n+1} – u_n \geqslant \dfrac{a – 1}{2}\), puis déterminer la limite de \((u_n)\).
- Pour \(a \in [0, 1[\), calculer \(f^{\prime}(\ell)\). Pour \(a = 1\), montrer que \(\dfrac{1 – u_{n+1}}{1 – u_n} \to 1\). Commenter.
Exercice 13 – Estimation a posteriori de l’erreur
On pose \(f(x) = 1 + \dfrac{1}{2}\ln(1 + x)\), \(u_0 = 1\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\). On note \(J = [1, 3]\).
- Montrer que \(J\) est stable par \(f\) et que \(f\) est \(\dfrac{1}{4}\)-lipschitzienne sur \(J\).
- En déduire que \(f\) admet un unique point fixe \(\ell \in J\) et que \((u_n)\) converge vers \(\ell\).
- Soit \(k \in [0, 1[\) une constante de contraction. Montrer que \(|u_n – \ell| \leqslant \dfrac{|u_{n+1} – u_n|}{1 – k}\), puis que \(|u_n – \ell| \leqslant \dfrac{k^n}{1 – k}\,|u_1 – u_0|\).
- Déterminer un rang qui garantit \(|u_n – \ell| \leqslant 10^{-6}\). On admet que \(\ln 2 < 0{,}7\).
Pour approfondir
Exercice 14 – Convergence quadratique de Newton
On pose \(h(x) = x^3 + x – 3\) et on applique la méthode de Newton à partir de \(x_0 = 1{,}5\).
- Montrer que \(h\) admet un unique zéro réel \(\alpha\), et que \(\alpha \in \, ]1{,}2\,;\,1{,}25[\).
- Montrer que la fonction de Newton est \(N(x) = \dfrac{2x^3 + 3}{3x^2 + 1}\).
- Soit \(x \in [\alpha\,;\,1{,}5]\). Montrer que \(\alpha \leqslant N(x) \leqslant x\), puis que \(N(x) – \alpha \leqslant 1{,}7\,(x – \alpha)^2\).
- En déduire que \((x_n)\) décroît et converge vers \(\alpha\).
- Calculer \(x_1\). Justifier que \(x_4\) est une valeur approchée de \(\alpha\) à \(10^{-8}\) près.
Exercice 15 – Un point fixe répulsif n’attire aucune suite
Soit \(f\) de classe \(\mathcal{C}^1\) sur un intervalle \(I\) stable, et \(\ell\) un point fixe de \(f\) intérieur à \(I\), avec \(|f^{\prime}(\ell)| > 1\).
- Montrer qu’il existe \(\eta > 0\) et \(k > 1\) tels que \(|f(x) – \ell| \geqslant k\,|x – \ell|\) pour tout \(x \in [\ell – \eta, \ell + \eta]\).
- En déduire que si une suite \(u_{n+1} = f(u_n)\) converge vers \(\ell\), alors elle est stationnaire.
- Application : \(f(x) = 4x(1 – x)\), de classe \(\mathcal{C}^1\) sur \(I = \mathbb{R}\), qui laisse \([0, 1]\) stable. Vérifier que \(0\) et \(\dfrac{3}{4}\) sont deux points fixes répulsifs. Étudier les suites issues de \(u_0 = \dfrac{1}{4}\) et de \(u_0 = \dfrac{2 – \sqrt{2}}{4}\).
- On prend \(u_0 = \dfrac{1}{3}\). Montrer que \(u_n = \dfrac{p_n}{3^{2^n}}\) avec \(p_n\) entier non divisible par \(3\). En déduire que \((u_n)\) diverge.
Exercice 16 – Problème – Trois façons de résoudre x + ln x = 2
On note \(h(x) = x + \ln x – 2\) pour \(x > 0\). On donne \(\ln 1{,}4 \approx 0{,}336\), \(\ln 1{,}5 \approx 0{,}405\), \(\ln 1{,}6 \approx 0{,}470\) et \(\ln 1{,}7 \approx 0{,}531\). La figure montre deux réécritures de l’équation sous forme de point fixe.

Partie A : existence de la solution
Montrer que \(h\) s’annule en un unique réel \(\alpha\), et que \(\alpha \in [1{,}5\,;\,1{,}6]\).
Partie B : la suite associée à 2 – ln x
On pose \(f(x) = 2 – \ln x\), \(u_0 = 1{,}5\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\).
- Montrer que \(\alpha\) est l’unique point fixe de \(f\) et que \(J = [1{,}4\,;\,1{,}7]\) est stable par \(f\).
- Montrer que \(f\) est \(\dfrac{5}{7}\)-contractante sur \(J\). En déduire que \(|u_n – \alpha| \leqslant 0{,}1 \times \left(\dfrac{5}{7}\right)^n\).
- Déterminer un rang qui garantit \(|u_n – \alpha| \leqslant 10^{-6}\). On donne \(\ln 10 \approx 2{,}303\) et \(\ln 1{,}4 \approx 0{,}336\).
- Expliquer pourquoi les termes se placent alternativement de part et d’autre de \(\alpha\).
Partie C : une réécriture qui échoue
On pose \(\varphi(x) = \mathrm{e}^{2 – x}\). Vérifier que \(\alpha\) est un point fixe de \(\varphi\), calculer \(\varphi^{\prime}(\alpha)\) et expliquer pourquoi la suite \(v_{n+1} = \varphi(v_n)\) ne convient pas pour approcher \(\alpha\).
Partie D : la méthode de Newton
On applique la méthode de Newton à \(h\) en partant de \(x_0 = 1\).
- Montrer que la fonction de Newton est \(N(x) = \dfrac{x(3 – \ln x)}{x + 1}\).
- Soit \(x \in [1, \alpha]\). Montrer que \(x \leqslant N(x) \leqslant \alpha\) et que \(\alpha – N(x) \leqslant \dfrac{2}{3}(\alpha – x)^2\).
- En déduire que \((x_n)\) converge vers \(\alpha\) et que \(\alpha – x_n \leqslant \dfrac{3}{2}\,(0{,}4)^{2^n}\).
- Combien d’itérations garantissent une erreur d’au plus \(10^{-6}\) ? Comparer avec la partie B.
Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de maths sup (MPSI) sur suites itératives et point fixe
- Bases utiles : Convergence des suites réelles et complexes, Étude de fonctions, fonctions réciproques et usuelles
- Chapitre d’avant : Convergence des suites réelles et complexes
- Chapitre d’après : Limite d'une fonction, continuité et TVI
- Vérifier ses acquis : QCM de maths sup (MPSI) sur suites itératives et point fixe
- Contrôle corrigé en temps limité : Étude d'une suite itérative : contrôle de maths en MPSI
- Tous les chapitres : le sommaire de maths sup (MPSI)
- Après le bac : les maths post-bac, de la MPSI à la L3
Télécharger ou imprimer cette fiche «suites itératives et point fixe en maths sup (MPSI) : exercices corrigés» au format PDF afin de pouvoir travailler en totale autonomie.
Ressources de maths en Maths sup (MPSI)
Cours
Tout voirExercices corrigés
Tout voirCalcul de développements limités en maths sup (MPSI)
Dimension et formule de Grassmann en maths sup (MPSI)
Rolle et accroissements finis en maths sup (MPSI)
IPP et changement de variable en maths sup (MPSI)
Variables aléatoires finies en maths sup (MPSI)
Produit scalaire et Gram-Schmidt en maths sup (MPSI)
Contrôles
Tout voirQCM
Tout voir

























