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Contrôle de maths sup : suites récurrentes et points fixes

    Contrôle de maths sup : suites récurrentes et points fixes

    Ce contrôle de maths sup porte sur le thème suivant : suites récurrentes et points fixes.

    Ce devoir de deux heures reprend un grand classique des écrits de concours : l’étude des suites récurrentes. Vous commencez par démontrer qu’une limite est un point fixe et comment la monotonie de f gouverne celle de la suite.

    Viennent ensuite les récurrences linéaires d’ordre 2, avec racines réelles puis complexes, et une suite arithmético-géométrique. Le problème final conduit l’étude complète d’une suite, de l’intervalle stable au tracé en escalier, puis compare sa vitesse à celle de la méthode de Newton. Travaillez sans calculatrice et rédigez chaque récurrence.

    Fiche du contrôle
    • Niveau : maths sup (MPSI)
    • Chapitre : Suites particulières et suites récurrentes
    • Durée conseillée : 2 heures
    • Barème : sur 20 points (exercice 1 : 3 points ; exercice 2 : 5 points ; exercice 3 : 3 points ; exercice 4 : 9 points)
    • Compétences évaluées :
      • Calculer : résoudre une récurrence linéaire d’ordre 2
      • Raisonner : justifier monotonie et convergence de u(n+1) = f(u(n))
      • Représenter : tracer un escalier sur le graphe de f
      • Chercher : estimer une vitesse de convergence

    Exercice 1 : Points fixes et monotonie (3 points)

    Calculatrice interdite. Durée conseillée : 2 heures. Dans tout le sujet, \(I\) désigne un intervalle de \(\mathbb{R}\), \(f : I \to I\) une fonction, \(u_0 \in I\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\) pour tout \(n \in \mathbb{N}\).

    1. On suppose \(I\) fermé et \(f\) continue sur \(I\). Démontrez que si \((u_n)\) converge vers un réel \(\ell\), alors \(\ell \in I\) et \(f(\ell) = \ell\). (1,5 point)
    2. Démontrez que si \(f\) est croissante sur \(I\), la suite \((u_n)\) est monotone. Démontrez ensuite que si \(f\) est décroissante sur \(I\), les suites \((u_{2n})\) et \((u_{2n+1})\) sont monotones. (1,5 point)

    Exercice 2 : Récurrences linéaires d’ordre 2 (5 points)

    Déterminez le terme général de chacune des suites suivantes.

    1. \(u_0 = 1\), \(u_1 = 4\) et \(u_{n+2} = 5u_{n+1} – 6u_n\) pour tout \(n \in \mathbb{N}\). (1,5 point)
    2. \(v_0 = 0\), \(v_1 = 1\) et \(v_{n+2} = 4v_{n+1} – 4v_n\) pour tout \(n \in \mathbb{N}\). (1,5 point)
    3. \(w_0 = 1\), \(w_1 = 1\) et \(w_{n+2} = 2w_{n+1} – 4w_n\) pour tout \(n \in \mathbb{N}\). Écrivez le résultat sous forme réelle, puis dites si la suite \((w_n)\) est bornée. (2 points)

    Exercice 3 : Suite arithmético-géométrique (3 points)

    On définit \(a_0 = 0\) et \(a_{n+1} = \dfrac{2}{3}a_n + 1\) pour tout \(n \in \mathbb{N}\).

    1. Déterminez le point fixe \(\ell\) de \(x \mapsto \dfrac{2}{3}x + 1\), puis exprimez \(a_n\) en fonction de \(n\). (1,5 point)
    2. Déterminez la limite de \((a_n)\) et le plus petit entier \(n\) tel que \(|a_n – \ell| \leq\, 10^{-3}\). On donne \(\ln 3000 \approx 8{,}006\) et \(\ln(\dfrac{3}{2}) \approx 0{,}405\). (1,5 point)

    Exercice 4 : Problème – étude d’une suite récurrente et méthode de Newton (9 points)

    Partie A. On considère \(f(x) = \sqrt{2 + x}\) sur \([0, +\infty[\), et la suite définie par \(u_0 = 0\) et \(u_{n+1} = f(u_n)\). La figure ci-dessous représente \(f\) et la droite d’équation \(y = x\).

    Courbe de la fonction racine de 2 plus x sur l'intervalle de 0 à 2,5 et droite y = x qui se coupent au point d'abscisse 2

    1. Montrez que l’intervalle \([0, 2]\) est stable par \(f\). (1 point)
    2. Étudiez le signe de \(f(x) – x\) sur \([0, 2]\). Déduisez-en que la suite \((u_n)\) est croissante. (1 point)
    3. Démontrez que \((u_n)\) converge et déterminez sa limite. (1,5 point)
    4. Représentez les termes \(u_0\), \(u_1\), \(u_2\) et \(u_3\) sur l’axe des abscisses à l’aide de la figure, en traçant l’escalier correspondant. (1 point)
    5. Démontrez que \(|u_{n+1} – 2| \leq\, \dfrac{1}{2}|u_n – 2|\) pour tout \(n\). Déduisez-en que \(|u_n – 2| \leq\, 2^{1-n}\), puis un rang à partir duquel \(u_n\) approche \(2\) à \(10^{-6}\) près. (1,5 point)

    Partie B : méthode de Newton. On cherche une valeur approchée de \(\sqrt{3}\), racine positive de \(g(x) = x^2 – 3\).

    1. La méthode de Newton associe à \(x > 0\) le réel \(N(x) = x – \dfrac{g(x)}{g^{\prime}(x)}\). Vérifiez que \(N(x) = \dfrac{x^2 + 3}{2x}\). (0,5 point)
    2. On pose \(x_0 = 2\) et \(x_{n+1} = N(x_n)\). Montrez que \(x_{n+1} – \sqrt{3} = \dfrac{(x_n – \sqrt{3})^2}{2x_n}\), puis que \(x_n \geq\, \sqrt{3}\) pour tout \(n\). (1 point)
    3. On pose \(e_n = x_n – \sqrt{3}\). Montrez que \(\dfrac{e_{n+1}}{3} \leq\, (\dfrac{e_n}{3})^2\), puis que \(e_n \leq\, 3 \times 10^{-2^n}\). Déduisez-en que \(x_3\) approche \(\sqrt{3}\) à \(10^{-7}\) près, et commentez la vitesse de convergence par rapport à la partie A. (1,5 point)

    Corrigé du contrôle de maths sup : suites récurrentes et points fixes

    Réviser avant le contrôle : suites récurrentes et points fixes

    Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Suites récurrentes » en maths sup puis entraînez-vous avec les exercices corrigés suites récurrentes.

    Retrouvez tous les contrôles de maths sup classés par chapitre, ou choisissez un autre niveau sur la page contrôles de maths du CP au post-bac.

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