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Les suites

Exercice 2 - Exercice 1

40 min
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Encore un exercice à la démarche usuelle et "classique" sur cette thématique.
Soit (un)(u_n) une suite de nombres réels qui converge vers \ell.
Pour n1n \geqslant 1, on pose :
vn=u1+u2++unnv_n = \dfrac{u_1 + u_2 + \cdots + u_n}{n}
Question 1

Montrez que la suite (vn)(v_n) est convergente, et converge vers \ell.

Correction
D'après l'énoncé, on sait que la suite (un)(u_n) converge. Soit R\ell \in \mathbb{R}.
Cette convergence se traduit par l'assertion :
ε>0,n0N,nn0un<ε\forall \varepsilon > 0, \,\, \exist n_0 \in \mathbb{N}, \,\, n \geqslant n_0 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, |u_n - \ell| < \varepsilon
On pose ε=ϵ2\varepsilon = \dfrac{\epsilon}{2}, avec ϵR\epsilon \in \mathbb{R}. De fait, il existe un nombre entier naturel n0n_0, tel que un<ϵ2|u_n - \ell| <\dfrac{\epsilon}{2}.
On a alors :
vn=vnnn=u1+u2++unnnn=u1+u2++unnn=(u1)+(u2)++(un)nv_n - \ell = v_n - \dfrac{n \ell}{n} = \dfrac{u_1 + u_2 + \cdots + u_n}{n} - \dfrac{n \ell}{n} = \dfrac{u_1 + u_2 + \cdots + u_n - n \ell}{n} = \dfrac{(u_1 - \ell) + (u_2 - \ell) + \cdots + (u_n - \ell)}{n}
Nous allons écrire ceci en faisant apparaitre l'entier n0n_0. On a :
vn=(u1)+(u2)++(un0)++(un)nv_n - \ell = \dfrac{(u_1 - \ell) + (u_2 - \ell) + \cdots + (u_{n_0} - \ell) + \cdots + (u_n - \ell)}{n}
Donc :
vn=(u1)+(u2)++(un0)++(un)n|v_n - \ell| = \left\vert \dfrac{(u_1 - \ell) + (u_2 - \ell) + \cdots + (u_{n_0} - \ell) + \cdots + (u_n - \ell)}{n} \right\vert
De fait :
vnu1+u2++un0++unn|v_n - \ell| \leqslant \dfrac{|u_1 - \ell| + |u_2 - \ell| + \cdots + |u_{n_0} - \ell| + \cdots + |u_n - \ell|}{n}
Soit :
vnu1+u2+un01n+un0++unn|v_n - \ell| \leqslant \dfrac{|u_1 - \ell| + |u_2 - \ell| + \cdots |u_{n_0 - 1 } - \ell|}{n} + \dfrac{|u_{n_0} - \ell| + \cdots + |u_n - \ell|}{n}
Soit encore :
vnu1+u2+un01n+ϵ2++ϵ2n|v_n - \ell| \leqslant \dfrac{|u_1 - \ell| + |u_2 - \ell| + \cdots |u_{n_0 - 1 } - \ell|}{n} + \dfrac{\dfrac{\epsilon}{2} + \cdots + \dfrac{\epsilon}{2}}{n}
Ce qui nous donne :
vnu1+u2+un01n+(nn0+1)ϵ2n|v_n - \ell| \leqslant \dfrac{|u_1 - \ell| + |u_2 - \ell| + \cdots |u_{n_0 - 1 } - \ell|}{n} + \dfrac{(n-n_0+1)\dfrac{\epsilon}{2}}{n}
Cependant, on a :
(nn0+1)ϵ2nϵ2(nn0+1)ϵ2nϵ2(n-n_0+1)\dfrac{\epsilon}{2} \leqslant n\dfrac{\epsilon}{2} \,\,\, \Longrightarrow \dfrac{(n-n_0+1)\dfrac{\epsilon}{2}}{n} \leqslant \dfrac{\epsilon}{2}
Ce qui implique que :
vnu1+u2+un01n+(nn0+1)ϵ2nu1+u2+un01n+ϵ2|v_n - \ell| \leqslant \dfrac{|u_1 - \ell| + |u_2 - \ell| + \cdots |u_{n_0 - 1 } - \ell|}{n} + \dfrac{(n-n_0+1)\dfrac{\epsilon}{2}}{n} \leqslant \dfrac{|u_1 - \ell| + |u_2 - \ell| + \cdots |u_{n_0 - 1 } - \ell|}{n} + \dfrac{\epsilon}{2}
Posons A=u1+u2+un01RA = |u_1 - \ell| + |u_2 - \ell| + \cdots |u_{n_0 - 1 } - \ell| \in \mathbb{R}. On a alors :
vnAn+ϵ2|v_n - \ell| \leqslant \dfrac{A}{n} + \dfrac{\epsilon}{2}
Comme on a limn+An=0\displaystyle{\lim_{n \longrightarrow + \infty}} \dfrac{A}{n} = 0 cela signifie qu'il existe un certain nombre entier naturel n1n_1, plus grand ou égal à n0n_0 tel que An<ϵ2\dfrac{A}{n} < \dfrac{\epsilon}{2}. De fait cela nous permet d'écrire que :
nn1,An+ϵ2<ϵ2+ϵ2nn1,An+ϵ2<ϵ\forall n \geqslant n_1, \,\, \dfrac{A}{n} + \dfrac{\epsilon}{2} < \dfrac{\epsilon}{2} + \dfrac{\epsilon}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \forall n \geqslant n_1, \,\, \dfrac{A}{n} + \dfrac{\epsilon}{2} < \epsilon
Ceci nous permet d'écrire que :
nn1,vn<ϵ\forall n \geqslant n_1, \,\, |v_n - \ell| < \epsilon.
On a adonc montrer que :
ϵ>0,n1N,nn1vn<ϵ\forall \epsilon > 0, \,\, \exist n_1 \in \mathbb{N}, \,\, n \geqslant n_1 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, |v_n - \ell| < \epsilon
Ceci prouve que la suite (vn)(v_n) est convergente et converge vers le réel \ell.