🔴  Lives #BAC2024

À partir du 12 mai, révise le bac avec nous sur YouTube tous les soirs à 19h30 ! Découvrir la chaîne →

Les suites

Exercice 10 - Exercice 1

1 h
90
Un exercice qu'il faut impérativement savoir faire.
Soit nn un nombre entier naturel.
On désigne par (un)(u_n) la suite définie par la relation de récurrence un+1=2un+3u_{n+1} = \sqrt{2\, u_n + 3} avec u0>32u_0 > - \dfrac{3}{2}.
Question 1

Étudier la convergence de la suite (un)(u_n).

Correction
Commençons par démontrer que tous les éléments de la suite, à l'exception éventuelle du premier u0u_0, sont positifs. Pour cela nous allons réaliser un raisonnement par récurrence.
Posons, pour n1n \geqslant 1, la propriété PnP_n suivante : Pn:un0P_n : u_n \geqslant 0.
Initialisation{\color{blue}{\bullet \,\, \textbf{Initialisation}}}
On a :
u1=2u0+3u_{1} = \sqrt{2\, u_0 + 3}
Or, par hypothèse, on a :
u0>322u0>32u0+3>0u_0 > - \dfrac{3}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2u_0 > - 3\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2u_0 + 3 > 0
Donc :
2u0+3>0\sqrt{2\, u_0 + 3} > 0
Ce qui signifie que :
u1>0u_1 > 0
Donc u10u_1 \geqslant 0.
Ainsi la propriété P1P_1 est bien vérifiée.
Heˊreˊditeˊ{\color{blue}{\bullet \bullet \,\, \textbf{Hérédité}}}
On suppose que la propriété est vraie au rang nn, donc on a un0u_n \geqslant 0.
Ainsi, on a :
un02un02un+33u_n \geqslant 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2u_n \geqslant 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2u_n + 3 \geqslant 3
Soit :
2un+302\, u_n + 3 \geqslant 0
Donc :
2un+30\sqrt{2\, u_n + 3} \geqslant 0
Ce qui signifie que :
un+10u_{n+1} \geqslant 0
Ceci nous montre que, si PnP_n est vérifiée alors Pn+1P_{n+1} est également vérifiée.
Conclusion{\color{blue}{\bullet \bullet \bullet \,\, \textbf{Conclusion}}}
En vertu des axiomes de la récurrence, on a donc pour tout entier naturel nn non nul la propriété suivante : un0u_n \geqslant 0.
Donc la suite (un)(u_n) est bien définie.
Notons par ff la fonction définie par :
f:x2x+3f : x \longmapsto \sqrt{2x+3}
Ainsi la relation de récurrence associée à la suite (un)(u_n) s'écrit : un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n).
Cette fonction ff est continue sur l'intervalle [32;+[\left[ -\dfrac{3}{2} \,;\, + \infty \right[. Donc, si cette suite (un)(u_n) est convergente et que sa limite réelle et positive est \ell, alors on doit avoir
=f()=2+3\ell = f(\ell) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \ell = \sqrt{2\ell+3}
Soit :
2=2+3223=0\ell^2 = 2\ell+3 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \ell^2 - 2 \ell - 3 = 0
Le discriminant associé à cette équation du second degré est Δ=(2)24×1×(3)=16\Delta = (-2)^2 - 4 \times 1 \times (-3) = 16. Ainsi Δ=16=4\sqrt{\Delta} = \sqrt{16} = 4. On obtient donc les solutions suivantes :
=(2)±42×1=2±42=1±2\ell = \dfrac{-(-2) \pm 4}{2 \times 1} = \dfrac{2 \pm 4}{2} = 1 \pm 2
Ce qui nous donne =3\ell = 3 ou =1\ell = -1. Cette dernière valeur étant négative elle n'est donc pas possible, ce qui implique que =3\ell =3.
Donc, si cette suite (un)(u_n) est convergente alors sa limite est =3\ell = 3.
Étudions les variations de ff sur l'intervalle [32;+[\left[ -\dfrac{3}{2} \,;\, + \infty \right[.
Soit x]32;+[x \in \left] -\dfrac{3}{2} \,;\, + \infty \right[, on a alors :
f(x)=(2x+3)=(2x+3)22x+3=222x+3=12x+3f'(x) = \left( \sqrt{2x+3} \right)'= \dfrac{(2x+3)'}{2\sqrt{2x+3}} = \dfrac{2}{2\sqrt{2x+3}} = \dfrac{1}{\sqrt{2x+3}}
Donc, lorsque x]32;+[x \in \left] -\dfrac{3}{2} \,;\, + \infty \right[, on a f(x)>0f'(x) > 0. et de fait ff est croissante sur ce même intervalle.
De plus comme f(32)=2(32)+3=0=0f\left( -\dfrac{3}{2} \right) = \sqrt{2\left( -\dfrac{3}{2} \right)+3} = \sqrt{0} = 0 alors ff est croissante et positive sur l'intervalle [32;+[\left[ -\dfrac{3}{2} \,;\, + \infty \right[.
Ceci nous permet d'affirmer que la suite (un)(u_n) est monotone{\color{red}{\textbf{monotone}}}.
Pour déterminer si la suite (un)(u_n) est croissante ou décroissante, il nous faut étudier le signe de u1u0u_1 - u_0. On a alors :
u1u0=2u0+3u0u_1 - u_0 = \sqrt{2u_0 + 3} - u_0
Ainsi si u0=3u_0 = 3 on a 2u0+3u0=2×3+33=6+33=93=33=0\sqrt{2u_0 + 3} - u_0 = \sqrt{2\times 3 + 3} - 3 = \sqrt{6+3}-3 = \sqrt{9}-3 = 3-3 = 0. Et de fait u1u0=0u_1 - u_0 = 0 ce qui nous permet d'écrire que u1=u0=3u_1 = u_0 = 3. Il semblerait que la suite (un)(u_n) puisse alors être stationnaire. Vérifions ceci par récurrence.
Notons, pour tout nombre entier naturel nn, par HnH_n la propriété suivante : Hn:un=3H_n : u_n = 3.
Initialisation{\color{blue}{\bullet \,\, \textbf{Initialisation}}}
On a évidemment, par hypothèse :
u0=3u_{0} = 3
Ainsi la propriété H0H_0 est bien vérifiée.
Heˊreˊditeˊ{\color{blue}{\bullet \bullet \,\, \textbf{Hérédité}}}
On suppose que la propriété HH est vraie au rang nn, donc on a un=3u_n = 3.
Ainsi, on a :
un+1=2un+3=2×3+3=6+3=9=3u_{n+1} = \sqrt{2\, u_n + 3} = \sqrt{2 \times 3 + 3} = \sqrt{6+3} = \sqrt{9}= 3
Ceci nous montre que, si HnH_n est vérifiée alors Hn+1H_{n+1} est également vérifiée.
Conclusion{\color{blue}{\bullet \bullet \bullet \,\, \textbf{Conclusion}}}
En vertu des axiomes de la récurrence, on a donc pour tout entier naturel nn non nul la propriété suivante : un=3u_n = 3 (si u0=3u_0 = 3). Donc la suite (un)(u_n) est stationnaire.
Puis, supposons que la suite (un)(u_n) soit décroissante. Donc ceci revient à avoir u1u0<0u_1 - u_0 < 0. C'est-à-dire que u1<u0u_1 < u_0. Autrement dit, cela revient à résoudre l'inégalité f(x)<xf(x)<x avec x0x \geqslant 0. Ainsi :
f(x)<x2x+3<xf(x) < x \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \sqrt{2x+3} < x
La fonction carrée conserve l'ordre sur R+\mathbb{R}^+ donc :
2x+3<x2x2+2x+3<0x22x3>02x+3 < x^2 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -x^2 + 2x + 3 < 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, x^2 - 2x - 3 > 0
Les racines du polynôme x22x3x^2 - 2x - 3 ont été déterminées précédemment et sont 1-1 et 33.
Donc l'expression x22x3x^2 - 2x - 3 est strictement négative sur l'intervalle [0;3[[0 \,;\,3[, et de fait l'expression x22x3x^2 - 2x - 3 est strictement positive sur l'intervalle ]3;+[]3 \,;\,+ \infty[ (car x0x \geqslant 0). De fait on a u1<u0u_1 < u_0 si u0]3;+[ u_0 \in ]3 \,;\,+ \infty[. Autrement dit, la suite (un)(u_n) est décroissante si u0>3u_0 > 3.
Montrons maintenant que, dans ce cas ou la suite (un)(u_n) est décroissante alors tous les termes unu_n sont minorés par 33. Vérifions ceci par récurrence.
Notons, pour tout nombre entier naturel nn, par QnQ_n la propriété suivante : Qn:un>3Q_n : u_n > 3.
Initialisation{\color{blue}{\bullet \,\, \textbf{Initialisation}}}
On a évidemment, par hypothèse de cette situation :
u0>3u_{0} > 3
Ainsi la propriété Q0Q_0 est bien vérifiée.
Heˊreˊditeˊ{\color{blue}{\bullet \bullet \,\, \textbf{Hérédité}}}
On suppose que la propriété QQ est vraie au rang nn, donc on a un>3u_n > 3.
Ainsi, on a :
un>32un>62un+3>9u_n > 3 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2u_n > 6 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2u_n + 3 > 9
La fonction racine carrée conserve l'ordre sur son ensemble de définition. Donc :
2un+3>92un+3>3\sqrt{2\, u_n + 3} > \sqrt{9} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \sqrt{2\, u_n + 3} > 3
Ceci nous donne :
un+1>3u_{n+1} > 3
Ceci nous montre que, si QnQ_n est vérifiée alors Qn+1Q_{n+1} est également vérifiée.
Conclusion{\color{blue}{\bullet \bullet \bullet \,\, \textbf{Conclusion}}}
En vertu des axiomes de la récurrence, on a donc pour tout entier naturel nn non nul la propriété suivante : un>3u_n > 3 (si u0>3u_0 > 3). Donc la suite (un)(u_n) est minorée par 33.
De fait, on constate que si u0>3u_0 > 3 alors la suite (un)(u_n) est décroissante et tous les termes unu_n de cette suite sont minorés par 33. Ainsi on peut affirmer que la suite (un)(u_n) est convergente, et que sa limite réelle positive est =3\ell = 3.
Enfin, supposons que la suite (un)(u_n) soit croissante. Donc ceci revient à avoir u1u0>0u_1 - u_0 > 0. C'est-à-dire que u1>u0u_1 > u_0. Autrement dit, cela revient à résoudre l'inégalité f(x)>xf(x)>x avec x0x \geqslant 0. Ainsi on a :
f(x)>x2x+3>xf(x) > x \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \sqrt{2x+3} > x
La fonction carrée conserve l'ordre sur R+\mathbb{R}^+ donc :
2x+3>x2x2+2x+3>0x22x3<02x+3 > x^2 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -x^2 + 2x + 3 > 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, x^2 - 2x - 3 < 0
Les racines du polynôme x22x3x^2 - 2x - 3 ont été déterminées précédemment et sont 1-1 et 33.
Donc l'expression x22x3x^2 - 2x - 3 est strictement négative sur l'intervalle [0;3[[0 \,;\,3[ (car x0x \geqslant 0). De fait on a u1>u0u_1 > u_0 si u0]32;+3[ u_0 \in \left] - \dfrac{3}{2} \,;\,+ 3 \right[. Autrement dit, la suite (un)(u_n) est croissante si 32<u0<3- \dfrac{3}{2} < u_0 < 3.
Montrons maintenant que, dans ce cas ou la suite (un)(u_n) est croissante alors tous les termes unu_n sont majorés par 33. Vérifions ceci par récurrence.
Notons, pour tout nombre entier naturel nn, par RnR_n la propriété suivante : Rn:un<3R_n : u_n < 3.
Initialisation{\color{blue}{\bullet \,\, \textbf{Initialisation}}}
On a évidemment, par hypothèse de cette situation :
u0<3u_{0} < 3
Ainsi la propriété R0R_0 est bien vérifiée.
Heˊreˊditeˊ{\color{blue}{\bullet \bullet \,\, \textbf{Hérédité}}}
On suppose que la propriété RR est vraie au rang nn, donc on a un<3u_n < 3.
Ainsi, on a :
un<32un<62un+3<9u_n < 3 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2u_n < 6 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2u_n + 3 < 9
La fonction racine carrée conserve l'ordre sur son ensemble de définition. Donc :
2un+3<92un+3<3\sqrt{2\, u_n + 3} < \sqrt{9} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \sqrt{2\, u_n + 3} < 3
Ceci nous donne :
un+1<3u_{n+1} < 3
Ceci nous montre que, si RnR_n est vérifiée alors Rn+1R_{n+1} est également vérifiée.
Conclusion{\color{blue}{\bullet \bullet \bullet \,\, \textbf{Conclusion}}}
En vertu des axiomes de la récurrence, on a donc pour tout entier naturel nn non nul la propriété suivante : un<3u_n < 3 (si u0<3u_0 < 3). Donc la suite (un)(u_n) est minorée par 33.
De fait, on constate que si 32<u0<3- \dfrac{3}{2} < u_0 < 3 alors la suite (un)(u_n) est croissante et tous les termes unu_n de cette suite sont majorés par 33. Ainsi on peut affirmer que la suite (un)(u_n) est convergente, et que sa limite réelle positive est =3\ell = 3.
Conclusion Geˊneˊrale{\color{red}{\hookrightarrow \,\, \textbf{Conclusion Générale}}}
\clubsuit \,\, Si 32<u0<3- \dfrac{3}{2} < u_0 < 3 alors la suite (un)(u_n) est croissante et elle converge vers sa limite =3\ell = 3.
\clubsuit \clubsuit \,\, Si u0=3u_0 = 3 alors la suite (un)(u_n) est stationnaire et chacun de ses termes unu_n vaut 33.
\clubsuit \clubsuit \clubsuit \,\, Si u0>3u_0 > 3 alors la suite (un)(u_n) est décroissante et elle converge vers sa limite =3\ell = 3.