Théorème des gendarmes - Exercice 1

20 min
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Déterminer les limites des suites (un)(u_{n} ) suivantes :
Question 1

un=5+cos⁡(n)nu_{n} =\frac{5+\cos \left(n\right)}{n}

Correction
Pour tout entier naturel nn non nul, on sait que :
−1≤cos⁡(n)≤1-1\le \cos \left(n\right)\le 1 équivaut successivement à :
−1+5≤5+cos⁡(n)≤5+1-1+5\le 5+\cos \left(n\right)\le 5+1
4≤5+cos⁡(n)≤64\le 5+\cos \left(n\right)\le 6 , on va ensuite diviser par nn qui est strictement positif
4n≤5+cos⁡(n)n≤6n\frac{4}{n} \le \frac{5+\cos \left(n\right)}{n} \le \frac{6}{n}
4n≤un≤6n\frac{4}{n} \le u_{n} \le \frac{6}{n}
D'une part : lim⁡n→+∞4n=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{4}{n} =0
D'autre part : lim⁡n→+∞6n=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{6}{n} =0
D'après le théorème des gendarmes lim⁡n→+∞un=0\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n} =0
Si on rencontre une forme Nombre∞\frac{Nombre}{\infty } alors la limite sera égale à zéro.
Question 2

un=1−2sin⁡(n)n2+1u_{n} =\frac{1-2\sin \left(n\right)}{n^{2} +1}

Correction
Pour tout entier naturel nn, on sait que :
−1≤sin⁡(n)≤1-1\le \sin \left(n\right)\le 1 équivaut successivement à :
2≥−2sin⁡(n)≥−22\ge -2\sin \left(n\right)\ge -2 , on a multiplié par un négatif donc on change le sens de l'inégalité.
−2≤−2sin⁡(n)≤2-2\le -2\sin \left(n\right)\le 2
1−2≤1−2sin⁡(n)≤1+21-2\le 1-2\sin \left(n\right)\le 1+2
−1≤1−2sin⁡(n)≤3-1\le 1-2\sin \left(n\right)\le 3 , on va ensuite diviser par n2+1n^{2} +1 qui est strictement positif
−1n2+1≤1−2sin⁡(n)n2+1≤3n2+1,\frac{-1}{n^{2} +1} \le \frac{1-2\sin \left(n\right)}{n^{2} +1} \le \frac{3}{n^{2} +1} ,
−1n2+1≤un≤3n2+1\frac{-1}{n^{2} +1} \le u_{n} \le \frac{3}{n^{2} +1}
D'une part : lim⁡n→+∞−1n2+1=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1}{n^{2} +1} =0
D'autre part : lim⁡n→+∞3n2+1=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{3}{n^{2} +1} =0
D'après le théorème des gendarmes lim⁡n→+∞un=0\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n} =0
Si on rencontre une forme Nombre∞\frac{Nombre}{\infty } alors la limite sera égale à zéro.
Question 3

un=(−1)nn+1u_{n} =\frac{\left(-1\right)^{n} }{\sqrt{n} } +1

Correction
Pour tout entier naturel nnnon nul, on sait que :
−1≤(−1)n≤1-1\le \left(-1\right)^{n} \le 1 équivaut successivement à :
−1n≤(−1)nn≤1n\frac{-1}{\sqrt{n} } \le \frac{\left(-1\right)^{n} }{\sqrt{n} } \le \frac{1}{\sqrt{n} } , on va ensuite diviser par n\sqrt{n} qui est strictement positif
−1n+1≤(−1)nn+1≤1n+1\frac{-1}{\sqrt{n} } +1\le \frac{\left(-1\right)^{n} }{\sqrt{n} } +1\le \frac{1}{\sqrt{n} } +1
−1n+1≤un≤1n+1\frac{-1}{\sqrt{n} } +1\le u_{n} \le \frac{1}{\sqrt{n} } +1
D'une part : lim⁡n→+∞−1n+1=1\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1}{\sqrt{n} } +1=1
D'autre part : lim⁡n→+∞1n+1=1\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{1}{\sqrt{n} } +1=1
D'après le théorème des gendarmes lim⁡n→+∞un=1\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n} =1
Question 4

un=sin⁡(n)+n2n+1u_{n} =\frac{\sin \left(n\right)+n}{2n+1}

Correction
Pour tout entier naturel nn, on sait que :
−1≤sin⁡(n)≤1-1\le \sin \left(n\right)\le 1 équivaut successivement à :
−1+n≤sin⁡(n)+n≤1+n-1+n\le \sin \left(n\right)+n\le 1+n, on va ensuite diviser par 2n+12n+1 qui est strictement positif
−1+n2n+1≤sin⁡(n)+n2n+1≤1+n2n+1\frac{-1+n}{2n+1} \le \frac{\sin \left(n\right)+n}{2n+1} \le \frac{1+n}{2n+1}
−1+n2n+1≤un≤1+n2n+1\frac{-1+n}{2n+1} \le u_{n} \le \frac{1+n}{2n+1}
D'une part : lim⁡n→+∞−1+n2n+1\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{2n+1} .
Pour calculer cette limite, nous factoriserons par nn au numérateur et par nn au dénominateur.
C'est-à-dire que l'on factorise le numérateur par son monôme de plus haut degré ici nn et on factorise le dénominateur par son monôme de plus haut degré ici nn .
lim⁡n→+∞−1+n2n+1=lim⁡n→+∞n(−1+nn)n(2n+1n)\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{2n+1} =\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{n\left(\frac{-1+n}{n} \right)}{n \left(\frac{2n+1}{n } \right)}
lim⁡n→+∞−1+n2n+1=lim⁡n→+∞n(−1n+nn)n(2nn+1n)\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{2n+1} =\mathop{\lim }\limits_{n\to +\infty } \frac{n\left(-\frac{1}{n} +\frac{n}{n} \right)}{n\left(\frac{2n}{n} +\frac{1}{n} \right)}
lim⁡n→+∞−1+n2n+1=lim⁡n→+∞n(−1n+1)n(2+1n)\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{2n+1} =\mathop{\lim }\limits_{n\to +\infty } \frac{n\left(-\frac{1}{n} +1\right)}{n\left(2+\frac{1}{n} \right)} . Nous allons maintenant simplifier le numérateur et le dénominateur par nn .
lim⁡n→+∞−1+n2n+1=lim⁡n→+∞−1n+12+1n\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{2n+1} =\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\frac{-1}{n} +1}{2+\frac{1}{n } }
lim⁡n→+∞−1n+1=1lim⁡n→+∞2+1n=2}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1}{n} +1} & {=} & {1} \\ {\lim\limits_{n\to +\infty } 2+\frac{1}{n} } & {=} & {2} \end{array}\right\} par quotient, lim⁡n→+∞−1n+12+1n=12\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\frac{-1}{n} +1}{2+\frac{1}{n} } =\frac{1}{2}
Finalement : lim⁡n→+∞−1+n2n+1=12\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{2n+1} =\frac{1}{2}
On effectue la même démarche pour calculer lim⁡n→+∞1+n2n+1\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{1+n}{2n+1} et on obtiendra lim⁡n→+∞1+n2n+1=12\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{1+n}{2n+1} =\frac{1}{2}
D'après le théorème des gendarmes lim⁡n→+∞un=12\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n} =\frac{1}{2}
Question 5

un=cos⁡(3n)+nn3+2n+1u_{n} =\frac{\cos \left(3n\right)+n}{n^{3} +2n+1}

Correction
Pour tout entier naturel nn, on sait que :
−1≤cos⁡(3n)≤1-1\le \cos \left(3n\right)\le 1 équivaut successivement à :
−1+n≤cos⁡(3n)+n≤1+n-1+n\le \cos \left(3n\right)+n\le 1+n, on va ensuite diviser par n3+2n+1n^{3} +2n+1 qui est strictement positif
−1+nn3+2n+1≤cos⁡(3n)+nn3+2n+1≤1+nn3+2n+1\frac{-1+n}{n^{3} +2n+1} \le \frac{\cos \left(3n\right)+n}{n^{3} +2n+1} \le \frac{1+n}{n^{3} +2n+1}
−1+nn3+2n+1≤un≤1+nn3+2n+1\frac{-1+n}{n^{3} +2n+1} \le u_{n} \le \frac{1+n}{n^{3} +2n+1}
D'une part : lim⁡n→+∞−1+nn3+2n+1\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{n^{3} +2n+1} .
Pour calculer cette limite, nous factoriserons par nn au numérateur et par n3n^{3} au dénominateur.
C'est-à-dire que l'on factorise le numérateur par son monôme de plus haut degré ici nn et on factorise le dénominateur par son monôme de plus haut degré ici n3n^{3} .
lim⁡n→+∞−1+nn3+2n+1=lim⁡n→+∞n(−1+nn)n3(n3+2n+1n3)\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{n^{3} +2n+1} =\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{n\left(\frac{-1+n}{n} \right)}{n^{3} \left(\frac{n^{3} +2n+1}{n^{3} } \right)}
lim⁡n→+∞−1+nn3+2n+1=lim⁡n→+∞n(−1n+nn)n3(n3n3+2nn3+1n3)\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{n^{3} +2n+1} =\mathop{\lim }\limits_{n\to +\infty } \frac{n\left(-\frac{1}{n} +\frac{n}{n} \right)}{n^{3} \left(\frac{n^{3} }{n^{3} } +\frac{2n}{n^{3} } +\frac{1}{n^{3} } \right)}
lim⁡n→+∞−1+nn3+2n+1=lim⁡n→+∞n(−1n+1)n3(1+2n2+1n3)\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{n^{3} +2n+1} =\mathop{\lim }\limits_{n\to +\infty } \frac{n\left(-\frac{1}{n} +1\right)}{n^{3} \left(1+\frac{2}{n^{2} } +\frac{1}{n^{3} } \right)} . Nous allons maintenant simplifier le numérateur et le dénominateur par nn .
lim⁡n→+∞−1+nn3+2n+1=lim⁡n→+∞−1n+1n2(1+2n2+1n3)\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{n^{3} +2n+1} =\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\frac{-1}{n} +1}{n^{2} \left(1+\frac{2}{n^{2} } +\frac{1}{n^{3} } \right)}
lim⁡n→+∞−1n+1=1lim⁡n→+∞n2(1+2n2+1n3)=+∞}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1}{n} +1} & {=} & {1} \\ {\lim\limits_{n\to +\infty } n^{2} \left(1+\frac{2}{n^{2} } +\frac{1}{n^{3} } \right)} & {=} & {+\infty } \end{array}\right\} par quotient, lim⁡n→+∞−1n+1n2(1+2n2+1n3)=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\frac{-1}{n} +1}{n^{2} \left(1+\frac{2}{n^{2} } +\frac{1}{n^{3} } \right)} =0
Finalement : lim⁡n→+∞−1+nn3+2n+1=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n}{n^{3} +2n+1} =0
On effectue la même démarche pour calculer lim⁡n→+∞1+nn3+2n+1\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{1+n}{n^{3} +2n+1} et on obtiendra lim⁡n→+∞1+nn3+2n+1=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{1+n}{n^{3} +2n+1} =0
D'après le théorème des gendarmes lim⁡n→+∞un=0\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n} =0
Question 6

un=2+sin⁡(n)n+1u_{n} =2+\frac{\sin \left(n\right)}{n+1}

Correction
Pour tout entier naturel nn non nul, on sait que :
−1≤sin⁡(n)≤1-1\le \sin \left(n\right)\le 1 équivaut successivement à :
−1n+1≤sin⁡(n)n+1≤1n+1\frac{-1}{n+1} \le \frac{\sin \left(n\right)}{n+1} \le \frac{1}{n+1} . On divise par n+1n+1 qui est positif donc on ne change pas le sens de l'inégalité.
2+−1n+1≤2+sin⁡(n)n+1≤2+1n+12+\frac{-1}{n+1} \le 2+\frac{\sin \left(n\right)}{n+1} \le2+\frac{1}{n+1}
2+−1n+1≤un≤2+1n+12+\frac{-1}{n+1} \le u_{n} \le2+\frac{1}{n+1}
D'une part : lim⁡n→+∞2+−1n+1=2\lim\limits_{n\to +\infty } 2+\frac{-1}{n+1} =2 car lim⁡n→+∞−1n+1=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1}{n+1} =0
D'autre part : lim⁡n→+∞2+1n+1=2\lim\limits_{n\to +\infty } 2+\frac{1}{n+1} =2 car lim⁡n→+∞1n+1=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{1}{n+1} =0
D'après le théorème des gendarmes lim⁡n→+∞un=2\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n} =2
Si on rencontre une forme Nombre∞\frac{Nombre}{\infty } alors la limite sera égale à zéro.

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