Suites et limites

Déterminer la limite de la somme des termes d'une suite géométrique - Exercice 4

7 min
15
Question 1

Soit une suite géométrique (un)\left(u_{n} \right) de raison q=3q=3 et de premier terme u0=5u_{0} =5. Calculer : S=u0+u1+…+unS=u_{0} +u_{1} +\ldots +u_{n} .

Correction
La somme des termes d'une suite géométrique est donnée par la formule suivante :
u0+u1+…+un=(premier terme)×(1−qnombres de termes1−q)u_{0} +u_{1} +\ldots +u_{n}=\left(\text{premier terme}\right)\times \left(\frac{1-q^{\text{nombres de termes}}}{1-q}\right)
On sait que (un)\left(u_{n} \right) est une suite géométrique de raison q=3q=3 et de premier terme u0=5u_{0} =5.
De plus, il y a en tout n+1n+1 termes en partant de u0 u_{0} à un u_{n}.
On applique la formule :
S=u0+u1+…+unS=u_{0} +u_{1} +\ldots +u_{n} équivaut successivement à :
S=(premier terme)×(1−qnombres de termes1−q)S=\left(\text{premier terme}\right)\times \left(\frac{1-q^{\text{nombres de termes}}}{1-q}\right)
S=u0×(1−qn+11−q)S=u_{0} \times \left(\frac{1-q^{n+1} }{1-q} \right)
S=5×(1−3n+11−3)S=5 \times \left(\frac{1-3^{n+1} }{1-3} \right)
S=5×(1−3n+1−2)S=5 \times \left(\frac{1-3^{n+1} }{-2} \right)
Ainsi :
S=−52(1−3n+1)S=-\frac{5}{2} \left(1-3^{n+1} \right)
Pour savoir le nombre de termes présents dans une somme, faites le calcul suivant : grand indice−petit indice+1\text{grand indice} - \text{petit indice} +1
  • La somme S=u0+u1+u2+…+unS=u_{0} +u_{1} +u_{2} +\ldots +u_{n} comprend n+1n+1 termes. Ici le plus grand indice est nn , le plus petit indice est 00. Ainsi le nombre de termes est égale à : n−0+1=n+1n-0+1=n+1. Nous avons donc n+1n+1 termes.
  • La somme S=u1+u2+…+unS=u_{1} +u_{2} +\ldots +u_{n} comprend nn termes. Ici le plus grand indice est nn , le plus petit indice est 11. Ainsi le nombre de termes est égale à : n−1+1=nn-1+1=n. Nous avons donc nn termes.
  • La somme S=up+up+1+…+unS=u_{p} +u_{p+1} +\ldots +u_{n} comprend n−p+1n-p+1 termes. Ici le plus grand indice est nn , le plus petit indice est pp. Ainsi le nombre de termes est égale à : n−p+1=nn-p+1=n. Nous avons donc n−p+1n-p+1 termes.
  • La somme S=u5+u6+…+u22S=u_{5} +u_{6} +\ldots +u_{22} comprend 1818 termes. Ici le plus grand indice est 2222 , le plus petit indice est 55. Ainsi le nombre de termes est égale à : 22−5+1=1822-5+1=18. Nous avons donc 1818 termes.
    • Question 2

    Déterminer lim⁡n→+∞S{\mathop{\lim }\limits_{n\to +\infty }} S .

    Correction
    lim⁡n→+∞S=lim⁡n→+∞(−52(1−3n+1)){\mathop{\lim }\limits_{n\to +\infty }} S={\mathop{\lim }\limits_{n\to +\infty }} \left(-\frac{5}{2} \left(1-3^{n+1} \right)\right)
    • Si 0<q<10<q<1 alors lim⁡n→+∞qn=0\lim\limits_{n\to +\infty } q^{n} =0.
    • Si q>1 q >1 alors lim⁡n→+∞qn=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } q^{n} =+\infty.
    Comme 3>13>1 alors :
    lim⁡n→+∞3n+1=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } 3^{n+1} =+\infty
    lim⁡n→+∞−3n+1=−∞\lim\limits_{n\to +\infty } -3^{n+1} =-\infty
    lim⁡n→+∞1−3n+1=−∞\lim\limits_{n\to +\infty } 1-3^{n+1} =-\infty
    Il vient alors que :
    lim⁡n→+∞−52=−52lim⁡n→+∞1−3n+1=−∞}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{n\to +\infty } -\frac{5}{2}} & {=} & {-\frac{5}{2}} \\ {\lim\limits_{n\to +\infty }1-3^{n+1}} & {=} & {-\infty } \end{array}\right\} par produit\text{\red{par produit}}
    lim⁡n→+∞(−52(1−3n+1))=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } \left(-\frac{5}{2} \left(1-3^{n+1} \right)\right)=+\infty

    Ainsi :
    lim⁡n→+∞S=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } S =+\infty