EX-80

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On considère la suite $\left(u_n\right)$ telle que $u_0 = 0$ et pour tout entier naturel $n$ : \[u_{n+1} = \dfrac{-u_n - 4}{u_n + 3}.\] On admet que $u_n$ est défini pour tout entier naturel $n$.

  1. Calculer les valeurs exactes de $u_1$ et $u_2$.
    Corrigé
    \[u_1 = \frac{-u_0-4}{u_0+3} = \frac{-0-4}{0+3} = -\frac 4 3.\] \[\begin{aligned} u_2 &= \frac{-u_1-4}{u_1+3} = \frac{\frac 4 3 - 4}{-\frac 4 3 + 3} =\frac{\frac{4-12} 3}{\frac{-4+9}3} =\frac{-\frac 8 3}{\frac 5 3}& \\ &=-\frac 8 3 \times \frac 3 5 = -\frac 8 5.& \end{aligned}\]
  2. On considère la fonction terme ci-dessous écrite de manière incomplète en langage Python :
    def terme (n) : u = … for i in range(n): u = … return(u)
    On rappelle qu'en langage Python, i in range (n) signifie que $i$ varie de $0$ à $n - 1$.
    Recopier et compléter le cadre ci-dessus de sorte que, pour tout entier naturel $n$, l'instruction terme(n) renvoie la valeur de $u_n$.
    Corrigé
    On peut proposer
     
    def terme (n) : u = 0 for i in range(n): u = (-u-4)/(u+3) return(u)
  3. Soit la fonction $f$ définie sur $]-3;+\infty[$ par : \[f(x) = \dfrac{- x - 4}{x+ 3}.\] Ainsi, pour tout entier naturel $n$, on a $u_{n+1} = f\left(u_n\right)$.
    Démontrer que la fonction $f$ est strictement croissante sur $]-3\;;\;+\infty[$.
    Indication Corrigé
    On pourra déterminer $f'(x)$ et en étudier le signe.
    $f=\dfrac u v$ où les fonctions $u$ et $v$, dérivables sur $]-3;+\infty[$, vérifient \[\begin{aligned} u(x)&=-x-4\;;& \quad u'(x)&=-1\;;& \\ v(x)&=x+3\;;& \quad v'(x)&=1.& \end{aligned}\] De plus, $v$ ne s'annule pas sur cet intervalle, donc la fonction $f$ est elle aussi dérivable sur $]-3;+\infty[$ et \[ f'=\frac{u'v-uv'}{v^2}.\] Donc pour tout réel $x$ de $]-3;+\infty[$: \[\begin{aligned} f'(x) &= \frac{-(x+3)-(-x-4)\times 1}{(x+3)^2}& \\ &=\frac{-x-3+x+4}{(x+3)^2}& \\ &=\frac 1 {(x+3)^2}.& \end{aligned}\] Puisqu'il s'agit du carré d'un réel non nul: \[(x+3)^2 > 0 \implies \frac 1 {(x+3)^2} >0.\] La fonction $f'$ est strictement positive sur $]-3;+\infty[$, donc la fonction $f$ est strictement croissante sur ce même intervalle.
  4. Démontrer par récurrence que pour tout entier naturel $n$ : \[- 2 < u_{n+1} \leqslant u_n.\] Indication
    Pour l'hérédité, on se souviendra qu'une fonction croissante conserve l'ordre.
    À savoir que si $f$ est croissante sur un intervalle $I$, $a\in I$ et $b\in I$, alors \[a \leqslant b \Rightarrow f(a) \leqslant f(b).\]
    Corrigé
    Notons $\mathcal P(n)$ l'assertion «$-2<u_{n+1} \leqslant u_n$».
    On sait que $u_0 = 0$ et $u_1 = -\frac 4 3$, donc on a bien \[-2 < u_1 \leqslant u_0.\] $\mathcal P(0)$ est donc vraie (initialisation).
    Supposons que pour un entier naturel $n$ donné, $\mathcal P(n)$ soit vraie: \[-2 < u_{n+1} \leqslant u_n.\] Tous ces nombres sont dans l'intervalle $]-3;+\infty[$ et la fonction $f$, strictement croissante sur cet intervalle, conserve l'ordre.
    On a donc \[\begin{aligned} f(-2) &< f(u_{n+1}) \leqslant f(u_n)& \\ \implies \frac{2-4}{-2+3} &< u_{n+2} \leqslant u_{n+1}& \\ \implies \frac {-2} 1 &< u_{n+2} \leqslant u_{n+1}& \\ \implies -2 &< u_{n+2} \leqslant u_{n+1}.& \end{aligned}\] On vient de montrer que si $\mathcal P(n)$ est vraie, alors $\mathcal P(n+1)$ le sera aussi (hérédité).
    En conclusion, par récurrence, $\mathcal P(n)$ est vraie pour tout entier naturel $n$.
  5. En déduire que la suite $\left(u_n\right)$ est convergente.
    Indication Corrigé
    Que nous apprend la question précédente sur la monotonie et le "bornage" de la suite $(u_n)$?
    On vient juste de montrer que la suite $(u_n)$ est décroissante mais minorée par −2. Elle converge donc vers un réel supérieur ou égal à −2.
  6. Soit la suite $\left(v_n\right)$ définie pour tout entier naturel $n$ par : \[v_n = \dfrac{1}{u_n + 2}.\]
    1. Donner $v_0$.
      Corrigé
      \[v_0 = \frac 1 {u_0+2} = \frac 1 {0+2} = \frac 1 2.\]
    2. Démontrer que la suite $\left(v_n\right)$ est arithmétique de raison 1.
      Indication Corrigé
      Exprimer $v_{n+1}$ en fonction de $u_{n+1}$ puis de $u_n$.
      Montrer alors que $v_{n+1} - v_n = 1$.
      Pour tout entier naturel $n$: \[\begin{aligned} v_{n+1} &=\dfrac 1 {u_{n+1} + 2}& \\ &=\dfrac 1 {\dfrac{-u_n - 4}{u_n +3} + 2}& \\ &=\dfrac 1 {\dfrac{-u_n-4 + 2(u_n + 3)}{u_n +3}}& \\ &=\dfrac 1 {\dfrac{-u_n - 4 + 2u_n + 6}{u_n + 3}}& \\ &=\dfrac{1}{\dfrac{u_n +2}{u_n + 3}}& \\ &=\dfrac{u_n + 3}{u_n +2}.& \end{aligned}\] Donc, pour tout entier naturel $n$: \[\begin{aligned} v_{n+1} - v_n &=\frac{u_n + 3}{u_n + 2} - \frac 1 {u_n + 2}& \\ &=\frac{u_n +3 - 1}{u_n + 2}& \\ &=\frac{u_n + 2}{u_n + 2}& \\ &=1.& \end{aligned}\] La suite $(v_n)$ est donc arithmétique de raison $r=1$.
    3. En déduire que pour tout entier naturel $n \geqslant 1$ : \[u_n = \dfrac{1}{n + 0,5} - 2.\] Indication Corrigé
      Puisque $(v_n)$ est aritmétique, on sait exprimer $v_n$ en fonction de $n$.
      En "inversant" la relation liant $v_n$ à $u_n$, on peut exprimer $u_n$ en fonction de $v_n$, donc en fonction de $n$.
      Puisque $(v_n)$ est arithmétique, pour tout entier naturel $n$ \[v_n = v_0 + nr = \frac 1 2 + n\times 1 = n + 0,5.\] D'autre part \[\begin{aligned} v_n &= \frac 1 {u_n + 2}& \\ \iff u_n + 2&= \frac 1 {v_n}& \\ \iff u_n &=\frac 1 {v_n} - 2& \\ \iff u_n &=\frac 1 {n+0,5} - 2.& \end{aligned}\]
    4. Déterminer la limite de la suite $\left(u_n\right)$.
      Corrigé
      Calculons la limite de $(u_n)$ à partir de son terme général. \[\begin{aligned} \lim_{n\to+\infty} n + 0,5 &= +\infty& \\ \implies \lim_{n\to+\infty} \frac 1 {n+0,5} &= 0& \\ \implies \lim_{n\to+\infty} \frac 1 {n+0,5} -2 &=0 -2 = -2.& \end{aligned}\] La suite $(u_n)$ converge vers $-2$.

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