Ce contrôle de maths de L1 porte sur le thème suivant : suites, convergence et suites adjacentes.
Ce partiel de deux heures porte sur les suites numériques du premier semestre de licence. Vous commencerez par une démonstration de cours, le théorème de Bolzano-Weierstrass, puis vous manipulerez la définition epsilon de la limite et les suites extraites pour prouver une divergence.
La suite du sujet étudie deux suites adjacentes qui encadrent le nombre e, jusqu’à la preuve de son irrationalité. Le problème final traite une suite récurrente avec un intervalle stable, sa limite et sa vitesse de convergence. Travaillez sans calculatrice et rédigez chaque argument, puis comparez votre copie au corrigé détaillé.
- Niveau : licence L1
- Chapitre : Suites numériques
- Durée conseillée : 2 heures
- Barème : sur 20 points (exercice 1 : 4 points ; exercice 2 : 4 points ; exercice 3 : 5 points ; exercice 4 : 7 points)
- Compétences évaluées :
- Raisonner : démontrer une convergence ou une divergence avec la définition epsilon et les suites extraites
- Calculer : étudier la monotonie d’une suite par différence de deux termes consécutifs
- Modéliser : étudier une suite récurrente à l’aide d’un intervalle stable
- Communiquer : rédiger une démonstration de cours complète (Bolzano-Weierstrass)
Exercice 1 : Théorème de Bolzano-Weierstrass (4 points)
Calculatrice interdite.
Cette question de cours porte sur les suites réelles bornées.
- Énoncez le théorème de Bolzano-Weierstrass pour les suites réelles. (1 point)
- Démontrez ce théorème par dichotomie. Vous construirez deux suites adjacentes \((a_k)\) et \((b_k)\) telles que chaque intervalle \([a_k, b_k]\) contienne une infinité de termes de la suite, puis une application \(\varphi\) strictement croissante de \(\mathbb{N}\) dans \(\mathbb{N}\). (3 points)
Exercice 2 : Convergence et divergence par la définition (4 points)
On pose, pour tout entier \(n \geq\, 0\), \(u_n = \dfrac{2n+1}{n+3}\) et \(v_n = (-1)^n \dfrac{n}{n+1}\).
- Démontrez, en revenant à la définition avec \(\varepsilon\), que la suite \((u_n)\) converge vers \(2\). Vous donnerez un rang \(N\) explicite en fonction de \(\varepsilon\). (2 points)
- En étudiant les suites extraites \((v_{2n})\) et \((v_{2n+1})\), démontrez que la suite \((v_n)\) diverge. (2 points)
Exercice 3 : Suites adjacentes et irrationalité de e (5 points)
Pour tout entier \(n \geq\, 1\), on pose
\[u_n = \sum_{k=0}^{n} \frac{1}{k!} \qquad \text{et} \qquad v_n = u_n + \frac{1}{n \cdot n!}.\]
- Montrez que la suite \((u_n)\) est strictement croissante et que la suite \((v_n)\) est strictement décroissante. (2 points)
- Montrez que les suites \((u_n)\) et \((v_n)\) sont adjacentes. Que peut-on en conclure ? (1 point)
- On note \(\ell\) leur limite commune (on admet que \(\ell = \mathrm{e}\)). Justifiez que, pour tout \(n \geq\, 1\), \(u_n < \ell < v_n\). Donnez un encadrement de \(\ell\) par deux fractions en prenant \(n = 3\). (1 point)
- On suppose par l’absurde que \(\ell = \dfrac{p}{q}\) avec \(p\) et \(q\) entiers naturels non nuls. En multipliant l’encadrement de la question c) écrit pour \(n = q\) par \(q \cdot q!\), obtenez une contradiction. Concluez. (1 point)
Exercice 4 : Suite récurrente et intervalle stable (7 points)
On considère la fonction \(f\) définie sur \([-6, +\infty[\) par \(f(x) = \sqrt{6+x}\), et la suite \((u_n)\) définie par \(u_0 = 0\) et, pour tout \(n \in \mathbb{N}\), \(u_{n+1} = f(u_n)\). La figure ci-dessous représente la courbe de \(f\), la droite d’équation \(y = x\) et les premiers termes de la suite.
- Montrez que \(f\) est croissante sur \([0, 3]\) et que l’intervalle \([0, 3]\) est stable par \(f\), c’est-à-dire \(f([0,3]) \subset [0,3]\). (1 point)
- Démontrez par récurrence que, pour tout \(n \in \mathbb{N}\), \(0 \leq\, u_n \leq\, u_{n+1} \leq\, 3\). (1,5 point)
- Déduisez-en que \((u_n)\) converge, puis déterminez sa limite \(\ell\) en justifiant soigneusement le passage à la limite. (1,5 point)
- Montrez que, pour tout \(n \in \mathbb{N}\), \(|u_{n+1} – 3| \leq\, \dfrac{1}{5}|u_n – 3|\). Déduisez-en que \(0 \leq\, 3 – u_n \leq\, \dfrac{3}{5^n}\), puis un rang \(n\) à partir duquel \(u_n\) est une valeur approchée de \(3\) à \(10^{-6}\) près. (1,5 point)
- On garde la même fonction \(f\) mais on part de \(u_0 = 10\). Montrez que la suite obtenue est décroissante, minorée par \(3\), et qu’elle converge encore vers \(3\). (1,5 point)
Réviser avant le contrôle : suites, convergence et suites adjacentes
Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Suites numériques » en L1 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés suites numériques.
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