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Suites et récurrence

Epreuve d'enseignement de spécialité Nouvelle-Calédonie 28 août 2023 Jour 1 - Exercice 1

45 min
70
On considère la suite (un)\left(u_n\right) définie par u0=3u_0 = 3 et, pour tout entier naturel nn, par : un+1=5un4n3u_{n+1} = 5u_n −4n −3 .
Question 1

Démontrer que u1=12u_1 = 12.

Correction
Pour tout entier naturel nn, nous avons : un+1=5un4n3u_{n+1} = 5u_n −4n −3
Ainsi :
u0+1=5u04×03u_{{\color{blue}{0}}+1} = 5u_{\color{blue}{0}} −4\times {\color{blue}{0}} −3
u1=5×34×03u_{1} = 5\times 3 −4\times 0 −3
u1=153u_{1} = 15-3
D'où :
u1=12u_{1} = 12
Question 2

Déterminer u2u_2 en détaillant le calcul.

Correction
Pour tout entier naturel nn, nous avons : un+1=5un4n3u_{n+1} = 5u_n −4n −3
Ainsi :
u1+1=5u14×13u_{{\color{blue}{1}}+1} = 5u_{\color{blue}{1}} −4\times {\color{blue}{1}} −3
u2=5×124×13u_{2} = 5\times 12 −4\times 1 −3
u2=6043u_{2} = 60-4-3
D'où :
u2=53u_{2} = 53
Question 3

À l’aide de la calculatrice, conjecturer le sens de variation ainsi que la limite de la suite (un)\left(u_n\right).

Correction
D'après la calculatrice, on obtient les valeurs des termes de suite d'indice 22 à 99 .
On peut conjecturer que la suite (un)\left(u_n\right) est croissante et sa limite tend vers ++\infty .
Question 4

Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel nn, on a : unn+1u_n\ge n+1 .

Correction
Pour tout entier naturel nn, posons la propriété Pn:unn+1P_{n} :u_{n} \ge n+1
Etape d’initialisation\purple{\text{Etape d'initialisation}}
On sait que u0=3u_{0} =3 ainsi u00+1u_{0} \ge 0+1.
La propriété P0P_{0} est vraie
Etape d’heˊreˊditeˊ\purple{\text{Etape d'hérédité}}
Soit kk un entier naturel.
On suppose qu'il existe un entier kk tel que la propriété PkP_{k} soit vraie c'est-à-dire ukk+1u_{k} \ge k+1 et vérifions si la propriété est également vraie au rang k+1k+1 c'est-à-dire uk+1k+1+1u_{k+1} \ge k+1+1 que l'on écrit uk+1k+2u_{k+1} \ge k+2
Par hypothèse de récurrence :
ukk+1u_{k} \ge k+1 , on multiplie de part et d'autre de l'inégalité par 55
5uk5(k+1)5 u_{k} \ge 5 \left(k+1\right)
5uk5k+55 u_{k} \ge 5k+5 , on rajoute 4k3−4k −3 (notre objectif est de faire apparaitre dans le membre de gauche uk+1u_{k+1})
5uk4k35k+54k35 u_{k}−4k −3 \ge 5k+5−4k −3
uk+1k+2u_{k+1} \ge k+2
Ainsi : uk+1k+2u_{k+1} \ge k+2, il vient alors que la propriété Pk+1P_{k+1} est vraie.
Conclusion\purple{\text{Conclusion}}
Puisque la propriété P0P_{0} est vraie et que nous avons prouvé l'hérédité, on peut en déduire, par le principe de récurrence que pour tout entier naturel nn, on a PnP_{n} vraie, c'est à dire que pour tout entier naturel nn, on a bien unn+1u_{n} \ge n+1
Question 5

En déduire la limite de la suite (un)\left(u_n\right).

Correction
D'après la question précédente, nous avons montré que pour tout entier naturel nn, nous avions : unn+1u_n\ge n+1 .
Comme limn+n+1=+\lim\limits_{n\to +\infty } n+1=+\infty et unn+1u_{n} \ge n+1 alors d'après le theˊoreˋme de comparaison \text{\red{le théorème de comparaison }}
limn+un=+\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n}=+\infty
Question 6
On considère la suite (vn)\left(v_n\right) définie pour tout entier naturel nn par : vn=unn1v_n = u_n -n -1.

Démontrer que la suite (vn)\left(v_n\right) est géométrique. Donner sa raison et son premier terme v0v_0.

Correction
On considère la suite (vn)\left(v_n\right) définie pour tout entier naturel nn par : vn=unn1v_n = u_n -n -1.
Il vient alors que :
vn+1=un+1(n+1)1v_{n+1}=u_{n+1}-\left(n+1\right)-1
vn+1=un+1n11v_{n+1}=u_{n+1}-n-1-1
vn+1=un+1n2v_{n+1}=u_{n+1}-n-2
vn+1=5un4n3n2v_{n+1}=5u_n-4n-3-n-2
vn+1=5un5n5v_{n+1}=5u_n-5n-5
vn+1=5(unn1)v_{n+1}=5\left(\red{u_n-n-1}\right)
Ainsi :
vn+1=5vnv_{n+1}=5\red{v_n}

Ainsi la suite (vn)\left(v_{n} \right) est géométrique de raison q=5q=5 et de premier terme v0=u001v_0 = u_0 -0 -1 c'est à dire v0=301=2v_{0} =3-0-1=2.
Question 7

En déduire, pour tout entier naturel nn, l’expression de vnv_n en fonction de nn.

Correction
  • L'expression de vnv_{n} en fonction de nn est donnée par la formule
    vn=v0×qnv_{n} =v_{0} \times q^{n}
Ainsi :
vn=2×5nv_{n} =2\times 5^{n}
Question 8

En déduire que pour tout entier naturel nn : un=2×5n+n+1u_n=2\times 5^n+n+1 .

Correction
On sait que vn=unn1v_n = u_n -n -1 donc vn+n+1=unv_{n} +n+1=u_{n}
Il vient alors que :
un=2×5n+n+1u_{n} =2\times 5^{n} +n+1

Question 9

En déduire le sens de variation de la suite (un)\left(u_n\right) .

Correction
un+1un=2×5n+1+(n+1)+1(2×5n+n+1)u_{n+1}-u_n=2\times 5^{n+1}+\left(n+1\right)+1-\left(2\times 5^n+n+1\right)
un+1un=2×5n+1+n+22×5nn1u_{n+1}-u_n=2\times 5^{n+1}+n+2-2\times 5^n-n-1
un+1un=2×5n+1+n+12×5nu_{n+1}-u_n=2\times 5^{n+1}+n+1-2\times 5^n
un+1un=2×5n+12×5n+n+1u_{n+1}-u_n=2\times 5^{n+1}-2\times 5^n+n+1
un+1un=2×5n×512×5n+n+1u_{n+1}-u_n=2\times 5^n\times 5^1-2\times 5^n+n+1
un+1un=2×5n×52×5n+n+1u_{n+1}-u_n=2\times \red{5^n}\times 5-2\times \red{5^n}+n+1
un+1un=5n(2×52)+n+1u_{n+1}-u_n=\red{5^n}\left(2\times 5-2\right)+n+1
un+1un=8×5n+n+1u_{n+1}-u_n={8\times 5}^n+n+1
Pour tout entier naturel nn, on a 5n>05^n>0 et n+1>0n+1>0.
ll en résulte que 8×5n+n+1>0{8\times 5}^n+n+1>0 et de ce fait un+1un>0u_{n+1}-u_n>0 .
On peut en conclure que la suite (un)\left(u_n\right) est donc croissante.
Question 10
def seuil()
u=3u=3
n=0n= 0
     While \ldots\ldots
u=u=\ldots \ldots
n=n+1n=n+1
return nn

On considère la fonction ci-dessus, écrite de manière incomplète en langage Python et destinée à renvoyer le plus petit entier naturel nn tel que un107u_n \ge 10^7 .
Recopier le programme et compléter les deux instructions manquantes.

Correction
def seuil()
u=3u=3
n=0n= 0
     While u<107\red{u<10**7}
u=5u+4n3u=\red{5*u+4*n-3}
n=n+1n=n+1
return nn
Question 11

Quelle est la valeur renvoyée par cette fonction ?

Correction
La valeur renvoyée par cette fonction est n=10n = 10. En effet, il s'agit du rang à partir duquel un107u_n \ge 10^7 .