Ce chapitre ouvre l'année. Il rappelle ce que tu sais des suites depuis la Première, puis il t'apprend une nouvelle façon de démontrer : le raisonnement par récurrence. Il sert à prouver qu'une propriété est vraie pour tous les entiers naturels, et tu t'en serviras toute l'année. Les limites de suites viennent au chapitre 2.
Dans tout le chapitre, désigne un entier naturel et l'ensemble des entiers naturels
Leçon 1 : Rappels de Première sur les suites
1.1 Deux façons de définir une suite
Une suite associe à chaque entier naturel un nombre réel , appelé terme de rang . On la définit souvent de deux façons.
- De façon explicite, : on calcule directement n'importe quel terme. Avec , on a , et .
- Par récurrence : on donne le premier terme et une relation qui permet de passer d'un terme au suivant. Avec et , on obtient , , . Pour calculer , il faut d'abord puis .
On représente une suite par les points de coordonnées dans un repère.
1.2 Suites arithmétiques
Définition. Une suite est arithmétique s'il existe un réel , appelé raison, tel que pour tout . On passe d'un terme au suivant en ajoutant toujours .
Terme général. Pour tout : , et plus généralement pour tous entiers et .
C'est le modèle des évolutions à accroissements constants. Les points sont alignés : c'est le lien avec les fonctions affines.
Sommes. Pour tout entier : Plus généralement, une somme de termes consécutifs d'une suite arithmétique vaut
Exemple 1. Une lycéenne met € de côté le premier mois, puis, chaque mois, € de plus que le mois précédent. Le montant du mois () est une suite arithmétique de premier terme et de raison : Le douzième mois, elle met de côté €. Sur un an, elle économise, en euros,
1.3 Suites géométriques
Définition. Une suite est géométrique s'il existe un réel , appelé raison, tel que pour tout . On passe d'un terme au suivant en multipliant toujours par .
Terme général. Pour tout : , et plus généralement .
C'est le modèle des évolutions à taux constant : une hausse de revient à multiplier par .
Sommes. Pour tout réel et tout entier :
Exemple 2. On place € à intérêts composés, au taux de par an. Chaque année, le capital est multiplié par . Le capital au bout de années est une suite géométrique : . On trouve , , , et au bout de dix ans €.
Exemple 3. .
1.4 Sens de variation
Définitions. La suite est :
- croissante si pour tout ; strictement croissante si pour tout ;
- décroissante si pour tout ; strictement décroissante si pour tout ;
- monotone si elle est croissante ou décroissante ; constante si pour tout .
On dit aussi qu'une suite est croissante à partir d'un rang si pour tout .
Méthodes.
- Étudier le signe de .
- Si avec monotone sur , la suite a le même sens de variation que .
- Suite arithmétique : croissante si , décroissante si .
- Suite géométrique avec et : comme , elle est croissante si et décroissante si (strictement dans les deux cas).
Exemple 4. Étudier le sens de variation de .
Cette différence est négative pour et , positive pour . Les premiers termes sont , , , , , : la suite décroît jusqu'au rang , puis elle est croissante à partir du rang . Autre méthode : avec , dont la dérivée est positive sur .
Attention. La méthode 2 ne vaut que pour . Pour une suite définie par , le sens de variation de ne donne pas celui de la suite.
Exemple 5. Avec , qui est croissante :
- si , on obtient , , , … : les premiers termes montent ;
- si , on obtient , , , … : les premiers termes descendent.
Pour conclure sur le sens de variation, il faut une démonstration : ce sera la leçon 5, grâce au raisonnement par récurrence.
Leçon 2 : Le raisonnement par récurrence
2.1 Vérifier ne suffit pas
Pour chaque entier , calculons . On obtient , , , , , … et ainsi de suite jusqu'à : ces nombres sont tous premiers. Pourtant, pour : qui n'est pas premier. Vérifier un grand nombre de cas ne démontre rien. Pour prouver qu'une propriété est vraie pour tous les entiers, il faut un raisonnement.
2.2 Le principe de récurrence
Principe. Soit une propriété qui dépend d'un entier naturel , et un entier naturel. Si :
- Initialisation : est vraie ;
- Hérédité : pour tout entier , si est vraie, alors est vraie ;
alors est vraie pour tout entier .
L'image des dominos. L'initialisation fait tomber le premier domino. L'hérédité garantit que chaque domino qui tombe fait tomber le suivant. Alors entraîne , qui entraîne , et ainsi de suite : tous les dominos tombent.
Ce que dit vraiment l'hérédité. On ne suppose pas que est vraie pour tout (ce serait supposer ce qu'on veut démontrer). On montre une implication : pour un entier quelconque, si est vraie, alors l'est aussi.
2.3 Rédiger une récurrence
Une récurrence se rédige en quatre temps.
- Énoncer la propriété : « Pour tout entier , on note : … »
- Initialisation : vérifier que est vraie.
- Hérédité : « Soit un entier tel que est vraie. Montrons que est vraie. » L'affirmation « est vraie » s'appelle l'hypothèse de récurrence : on a le droit de s'en servir.
- Conclusion : « Par récurrence, est vraie pour tout entier . »
2.4 Un premier exemple
Exemple 6. Montrer que, pour tout , est divisible par .
Pour , on note : « est divisible par ».
Initialisation. : est vraie.
Hérédité. Soit tel que est vraie : il existe un entier tel que , c'est-à-dire . Alors Comme est un entier, est divisible par : est vraie.
Conclusion. Pour tout , est divisible par . (Premières valeurs : , , , .)
2.5 Les deux étapes sont indispensables
Sans initialisation, l'hérédité ne prouve rien. Prenons : « est divisible par ». Elle est héréditaire : si , alors Mais n'est pas divisible par . En fait, est fausse pour tout : d'après l'exemple 6, est un multiple de , donc a pour reste dans la division par .
Sans hérédité, vérifier des cas ne suffit pas : c'est l'exemple de (paragraphe 2.1).
2.6 Un peu d'histoire
Le raisonnement par récurrence est très ancien. On en trouve des formes vers l'an 1000 chez al-Karaji, puis au XIIᵉ siècle chez as-Samaw'al, deux mathématiciens de langue arabe, et au XVIᵉ siècle chez Maurolico. Pascal l'emploie au XVIIᵉ siècle dans son Traité du triangle arithmétique. À la fin du XIXᵉ siècle, Peano en fait l'un des principes de base des nombres entiers.
Leçon 3 : Récurrence et égalités
3.1 La méthode
Pour démontrer une égalité par récurrence, l'hérédité suit toujours le même plan.
- Écrire au brouillon le but : l'égalité au rang .
- Partir d'un des deux membres, en général le plus compliqué, et y faire apparaître l'expression du rang .
- Remplacer grâce à l'hypothèse de récurrence, puis calculer jusqu'au but.
3.2 Le terme général d'une suite définie par récurrence
Exemple 7. Soit définie par et .
Conjecture. Les premiers termes sont , , , , : chacun est une puissance de moins . On conjecture que pour tout .
Démonstration. On note : « ».
- Initialisation. : est vraie.
- Hérédité. Soit tel que est vraie. Le but est . On part de : est vraie.
- Conclusion. Pour tout , .
3.3 Des formules de sommes
Pour une somme, le rang s'obtient à partir du rang en ajoutant un seul terme.
Exemple 8 (somme des nombres impairs). Montrer que, pour tout entier , On le devine en calculant : , , . Sur un dessin, chaque nouveau nombre impair ajoute une bande en équerre autour du carré précédent.
- Initialisation () : la somme se réduit à .
- Hérédité. Supposons pour un entier . Le nombre impair suivant est , donc
- Conclusion. La formule est vraie pour tout .
Exemple 9 (somme des carrés). Montrer que, pour tout entier ,
- Initialisation () : .
- Hérédité. Supposons la formule vraie au rang . Le but est , car . On ajoute et on met en facteur au lieu de tout développer : Le trinôme a pour racines et : il se factorise en . On obtient : c'est la formule au rang .
- Conclusion. La formule est vraie pour tout .
Notation. Une somme peut s'écrire de façon concise avec le symbole : . Le programme l'utilise seulement comme écriture ; dans ce chapitre, on écrit les sommes avec des points de suspension.
Leçon 4 : Récurrence et inégalités, l'inégalité de Bernoulli
4.1 Trois règles pour les inégalités
Dans l'hérédité d'une inégalité, trois règles servent sans arrêt. Pour tous réels , , et :
- Ajouter : si , alors .
- Multiplier par un nombre strictement positif : si et , alors . Attention : si , le sens change, .
- Avancer par étapes : si et , alors .
4.2 L'inégalité de Bernoulli
C'est une démonstration du programme. Elle servira au chapitre 2 pour étudier le comportement de .
Propriété (inégalité de Bernoulli). Soit un réel strictement positif. Pour tout entier naturel ,
Démonstration. Pour , on note : « ».
Initialisation. et : est vraie.
Hérédité. Soit tel que . On multiplie les deux membres par , qui est strictement positif : le sens ne change pas. Or , donc . Par étapes, : est vraie.
Conclusion. Pour tout , .
Remarques.
- L'inégalité reste vraie pour (c'est alors une égalité), et même pour : la démonstration n'utilise que .
- Sur un graphique avec : les points sont alignés, les points montent de plus en plus vite et ne passent jamais en dessous. Il y a égalité pour et .
4.3 Une lecture concrète
Exemple 10. € placés à par an à intérêts composés deviennent (exemple 2). Avec , l'inégalité de Bernoulli donne Un placement à intérêts composés rapporte donc au moins autant que le même placement à intérêts simples. Au bout de dix ans : environ € contre €.
4.4 Une inégalité vraie à partir d'un rang
L'initialisation se fait au premier rang où la propriété est demandée.
Exemple 11. Comparer et .
L'inégalité est vraie pour , , , fausse pour , puis semble toujours vraie. Montrons que pour tout .
- Initialisation () : .
- Hérédité. Soit tel que . En multipliant par : . Il reste à comparer et : Comme , , donc . Par étapes, .
- Conclusion. Pour tout , .
Leçon 5 : Suites définies par : encadrement et sens de variation
5.1 Suites majorées, minorées, bornées
Définitions. La suite est :
- majorée s'il existe un réel tel que pour tout ( est un majorant) ;
- minorée s'il existe un réel tel que pour tout ( est un minorant) ;
- bornée si elle est à la fois majorée et minorée : pour tout .
Une suite croissante est minorée par son premier terme ; une suite décroissante est majorée par .
5.2 Représenter une suite récurrente
Pour une suite définie par et , on trace la courbe de et la droite d'équation .
- On part de sur l'axe des abscisses et on monte jusqu'à la courbe : l'ordonnée lue est .
- On rejoint horizontalement la droite : le point obtenu a pour abscisse , qu'on reporte sur l'axe des abscisses.
- On recommence à partir de .
Le dessin permet de conjecturer le comportement de la suite. Il ne le démontre pas : c'est le rôle de la récurrence.
5.3 La méthode : une récurrence double
Pour encadrer la suite et trouver son sens de variation en même temps, on démontre par récurrence une propriété du type L'idée clé de l'hérédité : si est croissante sur , alors pour et dans , entraîne . On peut donc appliquer à toute la chaîne d'inégalités sans changer leur sens : Il reste à vérifier que et .
Exemple 12. Soit définie par et . On note .
On note : « ».
- Initialisation. et : on a bien .
- Hérédité. Soit tel que est vraie. La fonction est affine de coefficient : elle est croissante sur . En appliquant : Comme , on obtient : est vraie.
- Conclusion. Pour tout , .
La suite est donc croissante et bornée : pour tout . Le nombre n'est pas choisi au hasard : c'est la solution de , abscisse du point d'intersection de la courbe et de la droite .
Exemple 13. Même fonction , mais . Alors . On démontre de la même façon : « ».
- Initialisation. .
- Hérédité. Si , alors, étant croissante, , soit .
Cette fois, la suite est décroissante et minorée par .
5.4 Ce qui décide du sens de variation
Dans les exemples 12 et 13, la fonction est la même et elle est croissante. Pourtant une suite croît et l'autre décroît : croissante ne veut pas dire croissante.
Intervalle stable. On dit qu'un intervalle est stable par si pour tout . Si est stable par et , alors pour tout (récurrence immédiate : si , alors ).
Propriété. Soit croissante sur un intervalle stable par , et .
- Si , la suite est croissante.
- Si , la suite est décroissante.
Démonstration (premier cas). On note : « ». est l'hypothèse . Si , ces deux termes sont dans et y est croissante, donc , c'est-à-dire . Le second cas est identique, avec les inégalités dans l'autre sens.
Exemple 14. Soit et . La fonction est croissante sur (composée de et de la racine carrée, toutes deux croissantes ; ou bien ).
On montre par récurrence : « ».
- Initialisation. , et car .
- Hérédité. Si , alors , soit , et .
La suite est croissante et comprise entre et . Ici aussi, vérifie .
Attention, décroissante. Si est décroissante, la suite peut osciller sans être monotone. Avec et , on obtient , , , , … : les termes montent et descendent tour à tour. On peut tout de même encadrer : si , alors , donc . Par récurrence, pour tout .
Au chapitre 2, tu verras ce que ces encadrements permettent de dire sur la limite de la suite.
Ce qu'il faut retenir du chapitre
- Suites de Première : arithmétique , géométrique ; et pour .
- Sens de variation : signe de ; si , même sens que ; jamais directement le sens de quand .
- Récurrence : initialisation au rang , puis hérédité « si , alors » pour tout . Les deux étapes sont indispensables, et vérifier des exemples ne démontre rien.
- Égalités : écrire le but au rang , partir d'un membre, faire apparaître l'hypothèse de récurrence ; pour une somme, on ajoute un seul terme ; factoriser plutôt que développer.
- Inégalités : multiplier seulement par des nombres positifs, avancer par étapes.
- Inégalité de Bernoulli : pour et , .
- Suites : encadrement et sens de variation par une récurrence double , en appliquant croissante à toute la chaîne.