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Évaluation de progression · Chapitre 1

Devoir sur 20 : Récurrence et suites

Devoir d'une heure, noté sur 20 points. Calculatrice autorisée. Seuil proposé : 10/20. Corrigé et barème à la fin.

Sujet

Exercice 1 (6 points)

  1. Démontrer par récurrence que, pour tout entier n≥1n \geq 1, (3 points) 1×2+2×3+⋯+n(n+1)=n(n+1)(n+2)3.1 \times 2 + 2 \times 3 + \cdots + n(n+1) = \frac{n(n+1)(n+2)}{3}.
  2. Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel nn, 5n−15^n - 1 est divisible par 44. (2 points)
  3. Un élève a vérifié à la calculatrice qu'une propriété P(n)\mathcal{P}(n) est vraie pour n=0,1,…,100n = 0, 1, \ldots, 100. Peut-il affirmer que P(n)\mathcal{P}(n) est vraie pour tout entier naturel nn ? Justifier. (1 point)

Exercice 2 (14 points)

Une association de covoiturage compte 300300 adhérents le 1er septembre 2026. Chaque année, 20 %20\,\% des adhérents quittent l'association et 120120 nouvelles personnes adhèrent. On note unu_n le nombre d'adhérents le 1er septembre de l'année 2026+n2026 + n ; ainsi u0=300u_0 = 300.

On note ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=0,8x+120f(x) = 0{,}8x + 120.

  1. Justifier que un+1=0,8 un+120u_{n+1} = 0{,}8\,u_n + 120, puis calculer u1u_1 et u2u_2. (1 point)
  2. a. Justifier que ff est croissante sur R\mathbb{R}, puis calculer f(300)f(300) et f(600)f(600). (1 point)
    b. Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel nn, 300≤un≤un+1≤600300 \leq u_n \leq u_{n+1} \leq 600. (3 points)
  3. En déduire le sens de variation de la suite (un)(u_n). Le nombre d'adhérents peut-il dépasser 600600 ? (1 point)
  4. Pour tout entier naturel nn, on pose vn=600−unv_n = 600 - u_n.
    a. Montrer que (vn)(v_n) est une suite géométrique de raison 0,80{,}8, et préciser v0v_0. (2 points)
    b. En déduire que, pour tout nn, un=600−300×0,8nu_n = 600 - 300 \times 0{,}8^n. (1 point)
  5. Combien l'association comptera-t-elle d'adhérents le 1er septembre 2031 ? Arrondir à l'unité. (1 point)
  6. a. À l'aide de l'inégalité de Bernoulli, montrer que, pour tout entier naturel nn, 1,25n≥1+0,25n1{,}25^n \geq 1 + 0{,}25n. (1 point)
    b. Vérifier que 0,8×1,25=10{,}8 \times 1{,}25 = 1. En déduire que, pour tout nn, 0<600−un≤3001+0,25n0 < 600 - u_n \leq \dfrac{300}{1 + 0{,}25n}. (1,5 point)
    c. En déduire un rang à partir duquel on est sûr que l'association compte au moins 590590 adhérents. À la calculatrice, quel est le premier rang où c'est réellement le cas ? Commenter. (1,5 point)
Corrigé et barème (après avoir cherché)

Exercice 1

1. (3 pts) On note P(n)\mathcal{P}(n) : « 1×2+⋯+n(n+1)=n(n+1)(n+2)31 \times 2 + \cdots + n(n+1) = \dfrac{n(n+1)(n+2)}{3} ».

  • (0,5 pt) Initialisation (n=1n = 1) : 1×2=21 \times 2 = 2 et 1×2×33=2\dfrac{1 \times 2 \times 3}{3} = 2.
  • (2 pts) Hérédité : supposons P(n)\mathcal{P}(n) vraie pour un entier n≥1n \geq 1. On ajoute le terme suivant (n+1)(n+2)(n+1)(n+2) et on factorise : n(n+1)(n+2)3+(n+1)(n+2)=(n+1)(n+2)(n3+1)=(n+1)(n+2)(n+3)3,\frac{n(n+1)(n+2)}{3} + (n+1)(n+2) = (n+1)(n+2)\left(\frac{n}{3} + 1\right) = \frac{(n+1)(n+2)(n+3)}{3}, qui est la formule au rang n+1n + 1.
  • (0,5 pt) Conclusion : la formule est vraie pour tout n≥1n \geq 1.

2. (2 pts)

  • (0,5 pt) Initialisation : 50−1=05^0 - 1 = 0, divisible par 44.
  • (1 pt) Hérédité : si 5n−1=4k5^n - 1 = 4k avec kk entier, alors 5n+1−1=5(5n−1)+4=20k+4=4(5k+1)5^{n+1} - 1 = 5(5^n - 1) + 4 = 20k + 4 = 4(5k + 1).
  • (0,5 pt) Conclusion : pour tout nn, 5n−15^n - 1 est divisible par 44.

3. (1 pt) Non. Vérifier un nombre fini de cas ne démontre pas une propriété pour tous les entiers : par exemple, n2−n+41n^2 - n + 41 est premier pour nn de 00 à 4040, mais pas pour n=41n = 41. Il faut une démonstration, par exemple par récurrence.

Exercice 2

1. (1 pt) Garder 80 %80\,\% des adhérents revient à multiplier par 0,80{,}8, puis on ajoute les 120120 nouveaux : un+1=0,8 un+120u_{n+1} = 0{,}8\,u_n + 120. Puis u1=0,8×300+120=360u_1 = 0{,}8 \times 300 + 120 = 360 et u2=0,8×360+120=408u_2 = 0{,}8 \times 360 + 120 = 408.

2.a (1 pt) ff est affine de coefficient 0,8>00{,}8 > 0 : elle est croissante sur R\mathbb{R}. f(300)=360f(300) = 360 et f(600)=480+120=600f(600) = 480 + 120 = 600.

2.b (3 pts) On note P(n)\mathcal{P}(n) : « 300≤un≤un+1≤600300 \leq u_n \leq u_{n+1} \leq 600 ».

  • (0,5 pt) Initialisation : u0=300u_0 = 300 et u1=360u_1 = 360, donc 300≤300≤360≤600300 \leq 300 \leq 360 \leq 600.
  • (2 pts) Hérédité : supposons 300≤un≤un+1≤600300 \leq u_n \leq u_{n+1} \leq 600. Comme ff est croissante, f(300)≤f(un)≤f(un+1)≤f(600)f(300) \leq f(u_n) \leq f(u_{n+1}) \leq f(600), c'est-à-dire 360≤un+1≤un+2≤600360 \leq u_{n+1} \leq u_{n+2} \leq 600. Comme 300≤360300 \leq 360, P(n+1)\mathcal{P}(n+1) est vraie.
  • (0,5 pt) Conclusion : pour tout nn, 300≤un≤un+1≤600300 \leq u_n \leq u_{n+1} \leq 600.

3. (1 pt) Pour tout nn, un≤un+1u_n \leq u_{n+1} : la suite est croissante. Et un≤600u_n \leq 600 pour tout nn : le nombre d'adhérents augmente mais ne dépasse jamais 600600.

4.a (2 pts) vn+1=600−un+1=600−0,8 un−120=480−0,8 un=0,8 (600−un)=0,8 vnv_{n+1} = 600 - u_{n+1} = 600 - 0{,}8\,u_n - 120 = 480 - 0{,}8\,u_n = 0{,}8\,(600 - u_n) = 0{,}8\,v_n. La suite (vn)(v_n) est géométrique de raison 0,80{,}8, de premier terme v0=600−300=300v_0 = 600 - 300 = 300.

4.b (1 pt) Donc vn=300×0,8nv_n = 300 \times 0{,}8^n, et un=600−vn=600−300×0,8nu_n = 600 - v_n = 600 - 300 \times 0{,}8^n.

5. (1 pt) Le 1er septembre 2031 correspond à n=5n = 5 : u5=600−300×0,85=600−98,304=501,696u_5 = 600 - 300 \times 0{,}8^5 = 600 - 98{,}304 = 501{,}696, soit environ 502502 adhérents.

6.a (1 pt) Avec a=0,25>0a = 0{,}25 > 0, l'inégalité de Bernoulli donne (1+0,25)n≥1+0,25n(1 + 0{,}25)^n \geq 1 + 0{,}25n, soit 1,25n≥1+0,25n1{,}25^n \geq 1 + 0{,}25n.

6.b (1,5 pt)

  • (0,5 pt) 0,8×1,25=10{,}8 \times 1{,}25 = 1, donc 0,8n×1,25n=10{,}8^n \times 1{,}25^n = 1 et 0,8n=11,25n0{,}8^n = \dfrac{1}{1{,}25^n}.
  • (1 pt) Alors 600−un=300×0,8n=3001,25n600 - u_n = 300 \times 0{,}8^n = \dfrac{300}{1{,}25^n}, qui est strictement positif. Et comme 1,25n≥1+0,25n>01{,}25^n \geq 1 + 0{,}25n > 0, on a 3001,25n≤3001+0,25n\dfrac{300}{1{,}25^n} \leq \dfrac{300}{1 + 0{,}25n}.

6.c (1,5 pt)

  • (1 pt) un≥590u_n \geq 590 équivaut à 600−un≤10600 - u_n \leq 10. Il suffit que 3001+0,25n≤10\dfrac{300}{1 + 0{,}25n} \leq 10, c'est-à-dire 1+0,25n≥301 + 0{,}25n \geq 30, soit n≥116n \geq 116. À partir du rang 116116, on est sûr que l'association compte au moins 590590 adhérents.
  • (0,5 pt) À la calculatrice, 300×0,815≈10,56>10300 \times 0{,}8^{15} \approx 10{,}56 > 10 et 300×0,816≈8,44≤10300 \times 0{,}8^{16} \approx 8{,}44 \leq 10 : c'est réellement le cas dès le rang 1616, c'est-à-dire en 2042. La minoration de Bernoulli est très grossière, mais elle suffit pour démontrer que le seuil finit par être atteint.
Compétences évaluées
Question Compétence (objectif de la fiche du chapitre)
Ex. 1, 1 O4 Démontrer une égalité par récurrence (somme)
Ex. 1, 2 O3 Rédiger une récurrence complète
Ex. 1, 3 O3 Distinguer vérification et démonstration
Ex. 2, 1 et 5 O1 Modéliser une évolution par une suite, calculer des termes
Ex. 2, 2 et 3 O7 Encadrer et étudier le sens de variation d'une suite un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) par récurrence
Ex. 2, 4 O1 et O2 Suites géométriques (Première)
Ex. 2, 6 O5 et O6 Utiliser l'inégalité de Bernoulli, raisonner sur des inégalités
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