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Les suites

Exercice 9 : les suites adjacentes - Exercice 1

20 min
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On définit, pour tout entier naturel nn, les suites (un)\left(u_n\right) et (vn)\left(v_n\right) par : un=1+1n!u_n=1+\frac{1}{n!} et vn=nn+1v_n=\frac{n}{n+1} .
Question 1

Démontrer que les deux suites numériques réelles (un)(u_n) et (vn)(v_n) sont adjacentes.

Correction
Deux suites (un)nN{\left(u_n\right)}_{n\in \mathbb{N}} et (vn)nN{\left(v_n\right)}_{n\in \mathbb{N}} sont dites adjacentes si et seulement si :
  • l'une est croissante
  • l'autre est décroissante
  • limn+(unvn)=0\lim\limits_{n\to +\infty } \left(u_n-v_n\right)=0
  • Remarque : Si (un)nN{\left(u_n\right)}_{n\in \mathbb{N}} et (vn)nN{\left(v_n\right)}_{n\in \mathbb{N}} sont adjacentes alors elles convergent en une même limite \ell .
  • Étudions les variations de la suite (un){\color{red}{\left(u_n\right)}}.
  • un+1un=1+1(n+1)!(1+1n!)u_{n+1}-u_n=1+\frac{1}{\left(n+1\right)!}-\left(1+\frac{1}{n!}\right)
    un+1un=1+1(n+1)!11n!u_{n+1}-u_n=1+\frac{1}{\left(n+1\right)!}-1-\frac{1}{n!}
    un+1un=1(n+1)!1n!u_{n+1}-u_n=\frac{1}{\left(n+1\right)!}-\frac{1}{n!}
    un+1un=1(n+1)!n+1n!×(n+1)u_{n+1}-u_n=\frac{1}{\left(n+1\right)!}-\frac{n+1}{n!\times \left(n+1\right)}
    un+1un=1n1(n+1)!u_{n+1}-u_n=\frac{1-n-1}{\left(n+1\right)!}
    un+1un=n(n+1)!u_{n+1}-u_n=\frac{-n}{\left(n+1\right)!}

    On rappelle que nn est un entier naturel, de ce fait n0-n\le0 ainsi un+1un0u_{n+1}-u_n\le0.
    Il en résulte donc que la suite (un)\left(u_n\right) est décroissante.
  • Étudions les variations de la suite (vn){\color{red}{\left(v_n\right)}}.
  • vn+1vn=n+1n+2nn+1v_{n+1}-v_n=\frac{n+1}{n+2}-\frac{n}{n+1}
    vn+1vn=(n+1)(n+1)(n+2)(n+1)n(n+2)(n+1)(n+2)v_{n+1}-v_n=\frac{\left(n+1\right)\left(n+1\right)}{\left(n+2\right)\left(n+1\right)}-\frac{n\left(n+2\right)}{\left(n+1\right)\left(n+2\right)}
    vn+1vn=(n+1)2n(n+2)(n+2)(n+1)v_{n+1}-v_n=\frac{{\left(n+1\right)}^2-n\left(n+2\right)}{\left(n+2\right)\left(n+1\right)}
    vn+1vn=n2+2n+1n22n(n+2)(n+1)v_{n+1}-v_n=\frac{n^2+2n+1-n^2-2n}{\left(n+2\right)\left(n+1\right)}
    vn+1vn=1(n+2)(n+1)v_{n+1}-v_n=\frac{1}{\left(n+2\right)\left(n+1\right)}

    Il s'ensuit donc que pour tout entier naturel nn, on a bien : vn+1vn0v_{n+1}-v_n\ge 0
    Il en résulte donc que la suite (vn)\left(v_n\right) est décroissante.
  • limn+(unvn)=limn+(1+1n!nn+1) {\color{red}{\lim\limits_{n\to +\infty } \left(u_n-v_n\right)=}}{\lim\limits_{n\to +\infty }\left( 1+\frac{1}{n!}-\frac{n}{n+1}\right)}
  • On vérifie facilement que :
    limn+vn=limn+(1+1n!)=1{\lim\limits_{n\to +\infty }v_n}={\lim\limits_{n\to +\infty }\left( 1+\frac{1}{n!}\right)}=1 et limn+un=limn+nn+1=limn+nn=1{\lim\limits_{n\to +\infty }u_n}={\lim\limits_{n\to +\infty }\frac{n}{n+1}}={\lim\limits_{n\to +\infty }\frac{n}{n}}=1
    Finalement :
    limn+(unvn)=0\lim\limits_{n\to +\infty } \left(u_n-v_n\right)=0

    De fait, pour conclure, on peut donc affirmer que les deux suites (un)\left(u_n\right) et (vn)\left(v_n\right) sont adjacentes.