Un exercice qu'il faut impérativement savoir faire. Soit n un nombre entier naturel. On désigne par (un) la suite définie par la relation de récurrence un+1=2un+3 avec u0>−23.
Question 1
Étudier la convergence de la suite (un).
Correction
Commençons par démontrer que tous les éléments de la suite, à l'exception éventuelle du premier u0, sont positifs. Pour cela nous allons réaliser un raisonnement par récurrence. Posons, pour n⩾1, la propriété Pn suivante : Pn:un⩾0. ∙Initialisation On a : u1=2u0+3 Or, par hypothèse, on a : u0>−23⟺2u0>−3⟺2u0+3>0 Donc : 2u0+3>0 Ce qui signifie que : u1>0 Donc u1⩾0. Ainsi la propriété P1 est bien vérifiée. ∙∙Heˊreˊditeˊ On suppose que la propriété est vraie au rang n, donc on a un⩾0. Ainsi, on a : un⩾0⟺2un⩾0⟺2un+3⩾3 Soit : 2un+3⩾0 Donc : 2un+3⩾0 Ce qui signifie que : un+1⩾0 Ceci nous montre que, si Pn est vérifiée alors Pn+1 est également vérifiée. ∙∙∙Conclusion En vertu des axiomes de la récurrence, on a donc pour tout entier naturel n non nul la propriété suivante : un⩾0. Donc la suite (un) est bien définie. Notons par f la fonction définie par : f:x⟼2x+3 Ainsi la relation de récurrence associée à la suite (un) s'écrit : un+1=f(un). Cette fonction f est continue sur l'intervalle [−23;+∞[. Donc, si cette suite (un) est convergente et que sa limite réelle et positive est ℓ, alors on doit avoir ℓ=f(ℓ)⟺ℓ=2ℓ+3 Soit : ℓ2=2ℓ+3⟺ℓ2−2ℓ−3=0 Le discriminant associé à cette équation du second degré est Δ=(−2)2−4×1×(−3)=16. Ainsi Δ=16=4. On obtient donc les solutions suivantes : ℓ=2×1−(−2)±4=22±4=1±2 Ce qui nous donne ℓ=3 ou ℓ=−1. Cette dernière valeur étant négative elle n'est donc pas possible, ce qui implique que ℓ=3. Donc, si cette suite (un) est convergente alors sa limite est ℓ=3. Étudions les variations de f sur l'intervalle [−23;+∞[. Soit x∈]−23;+∞[, on a alors : f′(x)=(2x+3)′=22x+3(2x+3)′=22x+32=2x+31 Donc, lorsque x∈]−23;+∞[, on a f′(x)>0. et de fait f est croissante sur ce même intervalle. De plus comme f(−23)=2(−23)+3=0=0 alors f est croissante et positive sur l'intervalle [−23;+∞[. Ceci nous permet d'affirmer que la suite (un) est monotone. Pour déterminer si la suite (un) est croissante ou décroissante, il nous faut étudier le signe de u1−u0. On a alors : u1−u0=2u0+3−u0 Ainsi si u0=3 on a 2u0+3−u0=2×3+3−3=6+3−3=9−3=3−3=0. Et de fait u1−u0=0 ce qui nous permet d'écrire que u1=u0=3. Il semblerait que la suite (un) puisse alors être stationnaire. Vérifions ceci par récurrence. Notons, pour tout nombre entier naturel n, par Hn la propriété suivante : Hn:un=3. ∙Initialisation On a évidemment, par hypothèse : u0=3 Ainsi la propriété H0 est bien vérifiée. ∙∙Heˊreˊditeˊ On suppose que la propriété H est vraie au rang n, donc on a un=3. Ainsi, on a : un+1=2un+3=2×3+3=6+3=9=3 Ceci nous montre que, si Hn est vérifiée alors Hn+1 est également vérifiée. ∙∙∙Conclusion En vertu des axiomes de la récurrence, on a donc pour tout entier naturel n non nul la propriété suivante : un=3 (si u0=3). Donc la suite (un) est stationnaire. Puis, supposons que la suite (un) soit décroissante. Donc ceci revient à avoir u1−u0<0. C'est-à-dire que u1<u0. Autrement dit, cela revient à résoudre l'inégalité f(x)<x avec x⩾0. Ainsi : f(x)<x⟺2x+3<x La fonction carrée conserve l'ordre sur R+ donc : 2x+3<x2⟺−x2+2x+3<0⟺x2−2x−3>0 Les racines du polynôme x2−2x−3 ont été déterminées précédemment et sont −1 et 3. Donc l'expression x2−2x−3 est strictement négative sur l'intervalle [0;3[, et de fait l'expression x2−2x−3 est strictement positive sur l'intervalle ]3;+∞[ (car x⩾0). De fait on a u1<u0 si u0∈]3;+∞[. Autrement dit, la suite (un) est décroissante si u0>3. Montrons maintenant que, dans ce cas ou la suite (un) est décroissante alors tous les termes un sont minorés par 3. Vérifions ceci par récurrence. Notons, pour tout nombre entier naturel n, par Qn la propriété suivante : Qn:un>3. ∙Initialisation On a évidemment, par hypothèse de cette situation : u0>3 Ainsi la propriété Q0 est bien vérifiée. ∙∙Heˊreˊditeˊ On suppose que la propriété Q est vraie au rang n, donc on a un>3. Ainsi, on a : un>3⟺2un>6⟺2un+3>9 La fonction racine carrée conserve l'ordre sur son ensemble de définition. Donc : 2un+3>9⟺2un+3>3 Ceci nous donne : un+1>3 Ceci nous montre que, si Qn est vérifiée alors Qn+1 est également vérifiée. ∙∙∙Conclusion En vertu des axiomes de la récurrence, on a donc pour tout entier naturel n non nul la propriété suivante : un>3 (si u0>3). Donc la suite (un) est minorée par 3. De fait, on constate que si u0>3 alors la suite (un) est décroissante et tous les termes un de cette suite sont minorés par 3. Ainsi on peut affirmer que la suite (un) est convergente, et que sa limite réelle positive est ℓ=3. Enfin, supposons que la suite (un) soit croissante. Donc ceci revient à avoir u1−u0>0. C'est-à-dire que u1>u0. Autrement dit, cela revient à résoudre l'inégalité f(x)>x avec x⩾0. Ainsi on a : f(x)>x⟺2x+3>x La fonction carrée conserve l'ordre sur R+ donc : 2x+3>x2⟺−x2+2x+3>0⟺x2−2x−3<0 Les racines du polynôme x2−2x−3 ont été déterminées précédemment et sont −1 et 3. Donc l'expression x2−2x−3 est strictement négative sur l'intervalle [0;3[ (car x⩾0). De fait on a u1>u0 si u0∈]−23;+3[. Autrement dit, la suite (un) est croissante si −23<u0<3. Montrons maintenant que, dans ce cas ou la suite (un) est croissante alors tous les termes un sont majorés par 3. Vérifions ceci par récurrence. Notons, pour tout nombre entier naturel n, par Rn la propriété suivante : Rn:un<3. ∙Initialisation On a évidemment, par hypothèse de cette situation : u0<3 Ainsi la propriété R0 est bien vérifiée. ∙∙Heˊreˊditeˊ On suppose que la propriété R est vraie au rang n, donc on a un<3. Ainsi, on a : un<3⟺2un<6⟺2un+3<9 La fonction racine carrée conserve l'ordre sur son ensemble de définition. Donc : 2un+3<9⟺2un+3<3 Ceci nous donne : un+1<3 Ceci nous montre que, si Rn est vérifiée alors Rn+1 est également vérifiée. ∙∙∙Conclusion En vertu des axiomes de la récurrence, on a donc pour tout entier naturel n non nul la propriété suivante : un<3 (si u0<3). Donc la suite (un) est minorée par 3. De fait, on constate que si −23<u0<3 alors la suite (un) est croissante et tous les termes un de cette suite sont majorés par 3. Ainsi on peut affirmer que la suite (un) est convergente, et que sa limite réelle positive est ℓ=3. ↪Conclusion Geˊneˊrale ♣ Si −23<u0<3 alors la suite (un) est croissante et elle converge vers sa limite ℓ=3. ♣♣ Si u0=3 alors la suite (un) est stationnaire et chacun de ses termes un vaut 3. ♣♣♣ Si u0>3 alors la suite (un) est décroissante et elle converge vers sa limite ℓ=3.