Voici le corrigé du contrôle de maths sup sur le thème : borne supérieure et convergence des suites.
Voici la correction complète du devoir sur la borne supérieure et la convergence des suites. Chaque preuve est rédigée comme on l’attend d’un étudiant de première année : hypothèses rappelées, quantificateurs explicites et théorèmes cités par leur nom.
Vous y trouverez le choix d’un rang N en fonction d’epsilon, l’usage des suites adjacentes pour prouver que e est irrationnel, et une double extraction par Bolzano-Weierstrass. Un barème détaillé suit chaque exercice. Comparez-le à votre copie pour repérer les étapes manquantes.
L’énoncé se trouve sur la page contrôle de maths sup : borne supérieure et convergence des suites.
| Exercice | Points |
| Exercice 1 : Borne supérieure et densité de Q | 4 points |
| Exercice 2 : Calculs de bornes supérieures et inférieures | 3 points |
| Exercice 3 : Limites rédigées avec epsilon | 3,5 points |
| Exercice 4 : Suites adjacentes et irrationalité de e | 4 points |
| Exercice 5 : Problème – Bolzano-Weierstrass et lemme de Cesàro | 5,5 points |
| Total | 20 points |
Exercice 1 : Borne supérieure et densité de Q (4 points)
- Propriété de la borne supérieure : toute partie non vide et majorée de \(\mathbb{R}\) admet une borne supérieure, c’est-à-dire un plus petit majorant.
- Soit \(A\) non vide et majorée, et \(M\) un majorant de \(A\).
Sens direct. Supposons \(M = \sup A\) et fixons \(\varepsilon > 0\). Le réel \(M – \varepsilon\) est strictement inférieur à \(M\). Or \(M\) est le plus petit des majorants, donc \(M – \varepsilon\) n’est pas un majorant de \(A\). Par conséquent, il existe \(a \in A\) tel que \(a > M – \varepsilon\).
Réciproque. Supposons la propriété vraie. Soit \(M^{\prime}\) un majorant de \(A\) et supposons par l’absurde \(M^{\prime} < M\). Posons \(\varepsilon = M – M^{\prime} > 0\). Il existe alors \(a \in A\) tel que \(a > M – \varepsilon = M^{\prime}\), ce qui contredit le fait que \(M^{\prime}\) majore \(A\). Donc \(M \leq\, M^{\prime}\) pour tout majorant \(M^{\prime}\).
Ainsi \(M\) est le plus petit majorant : \(M = \sup A\).
- Soient \(x < y\). Comme \(y – x > 0\), la propriété d’Archimède fournit \(n \in \mathbb{N}^*\) tel que \(n(y – x) > 1\), soit \(ny > nx + 1\). Posons \(p = \lfloor nx \rfloor + 1 \in \mathbb{Z}\). Par définition de la partie entière, \(p – 1 \leq\, nx < p\). On en déduit :
\[nx < p \leq\, nx + 1 < ny.\]
En divisant par \(n > 0\), on obtient \(x < \dfrac{p}{n} < y\). Le rationnel \(r = \dfrac{p}{n}\) convient : \(\mathbb{Q}\) est dense dans \(\mathbb{R}\).
Barème : a) 1 point (non vide et majorée exigés) ; b) 1,5 point : 0,75 point par sens ; c) 1,5 point : 0,5 point pour Archimède, 0,5 point pour le choix de p, 0,5 point pour l’encadrement final.
Exercice 2 : Calculs de bornes supérieures et inférieures (3 points)
- Pour tout \(n \in \mathbb{N}\), \(\dfrac{n}{n+1} = 1 – \dfrac{1}{n+1}\). Cette quantité est positive et strictement inférieure à \(1\).
Pour \(n = 0\), on obtient \(0 \in A\). Donc \(0\) est le plus petit élément : \(\inf A = \min A = 0\).
Ensuite, \(1\) majore \(A\). Soit \(\varepsilon > 0\) : il existe \(n\) tel que \(\dfrac{1}{n+1} < \varepsilon\), donc \(\dfrac{n}{n+1} > 1 – \varepsilon\). D’après la caractérisation de l’exercice 1, \(\sup A = 1\), et ce n’est pas un maximum car \(1 \notin A\).
- Pour \(p, q \geq\, 1\), on a \(0 < \dfrac{1}{p} + \dfrac{1}{q} \leq\, 1 + 1 = 2\). De plus, \(2\) est atteint pour \(p = q = 1\). Donc \(\sup B = \max B = 2\).
Ensuite, \(0\) minore \(B\). En prenant \(p = q = n\), on obtient \(\dfrac{2}{n} \in B\), et \(\dfrac{2}{n} \to 0\). Pour tout \(\varepsilon > 0\), il existe donc un élément de \(B\) inférieur à \(\varepsilon\). Ainsi \(\inf B = 0\), qui n’est pas un minimum car tous les éléments de \(B\) sont strictement positifs.
- La partie \(A + B\) est non vide. Pour \(a \in A\) et \(b \in B\), on a \(a + b \leq\, \sup A + \sup B\). Donc \(A + B\) est majorée par \(S = \sup A + \sup B\) et admet une borne supérieure.
Soit \(\varepsilon > 0\). Par caractérisation, il existe \(a \in A\) avec \(a > \sup A – \dfrac{\varepsilon}{2}\), et \(b \in B\) avec \(b > \sup B – \dfrac{\varepsilon}{2}\). Alors \(a + b \in A + B\) et \(a + b > S – \varepsilon\).
Par la caractérisation de l’exercice 1 b, \(\sup(A + B) = \sup A + \sup B\).
Barème : a) 1 point : 0,5 point pour la borne inférieure, 0,5 point pour la borne supérieure non atteinte ; b) 1 point, même répartition ; c) 1 point : 0,25 point pour l’existence, 0,25 point pour le majorant, 0,5 point pour l’argument avec epsilon sur deux.
Erreur fréquente : affirmer que \(\sup A = 1\) parce que « la suite tend vers 1 » sans vérifier que \(1\) est un majorant.
Exercice 3 : Limites rédigées avec epsilon (3,5 points)
- Pour tout \(n \in \mathbb{N}\) :
\[| u_n – 2 | = | \frac{2n + 1 – 2n – 6}{n+3} | = \frac{5}{n+3}.\]
Soit \(\varepsilon > 0\). Posons \(N = \lfloor \dfrac{5}{\varepsilon} \rfloor + 1\), de sorte que \(N > \dfrac{5}{\varepsilon}\). Pour \(n \geq\, N\), on a \(n + 3 > n \geq\, N > \dfrac{5}{\varepsilon}\), donc \(\dfrac{5}{n+3} < \varepsilon\).
Nous avons montré : \(\forall \varepsilon > 0,\ \exists N \in \mathbb{N},\ \forall n \geq\, N,\ |u_n – 2| < \varepsilon\). Donc \((u_n)\) converge vers \(2\).
- Appliquons la définition de la limite avec \(\varepsilon = \dfrac{\ell}{2} > 0\). Il existe \(N\) tel que, pour \(n \geq\, N\), \(|u_n – \ell| < \dfrac{\ell}{2}\). En particulier \(u_n > \ell – \dfrac{\ell}{2}\). Donc \(u_n > \dfrac{\ell}{2}\) pour tout \(n \geq\, N\).
- Considérons les suites extraites \((v_{6k})\) et \((v_{6k+3})\). Pour tout \(k \in \mathbb{N}\) :
\[v_{6k} = \cos(2k\pi) = 1 \qquad \text{et} \qquad v_{6k+3} = \cos(2k\pi + \pi) = -1.\]
Supposons que \((v_n)\) converge vers \(L\). Alors toute suite extraite converge aussi vers \(L\). On aurait donc \(L = 1\) et \(L = -1\), ce qui est absurde. La suite \((v_n)\) diverge.
Barème : a) 1,5 point : 0,5 point pour le calcul de la distance, 0,5 point pour le choix de N, 0,5 point pour la conclusion avec quantificateurs ; b) 0,5 point ; c) 1,5 point : 0,5 point par suite extraite, 0,5 point pour le théorème des suites extraites.
Exercice 4 : Suites adjacentes et irrationalité de e (4 points)
- Pour \(n \geq\, 1\), \(u_{n+1} – u_n = \dfrac{1}{(n+1)!} > 0\). La suite \((u_n)\) est strictement croissante.
- Pour \(n \geq\, 1\), on calcule :
\[v_{n+1} – v_n = \frac{1}{(n+1)!} + \frac{1}{(n+1)(n+1)!} – \frac{1}{n \cdot n!}.\]
Or \(n! = \dfrac{(n+1)!}{n+1}\), donc \(\dfrac{1}{n \cdot n!} = \dfrac{(n+1)^2}{n(n+1)(n+1)!}\). Réduisons au dénominateur commun \(D = n(n+1)(n+1)!\) :
\[v_{n+1} – v_n = \frac{n(n+1) + n – (n+1)^2}{D} = \frac{n^2 + 2n – n^2 – 2n – 1}{D} = -\frac{1}{D}.\]
Comme \(D > 0\), \(v_{n+1} – v_n < 0\) : la suite \((v_n)\) est strictement décroissante.
- On a \(v_n – u_n = \dfrac{1}{n \cdot n!}\), qui tend vers \(0\). Avec a) et b), les suites sont adjacentes. Par le théorème des suites adjacentes, elles convergent vers une même limite \(\ell = e\). De plus, \(u_n < e < v_n\) pour tout \(n \geq\, 1\), par stricte monotonie.
- Supposons \(e = \dfrac{p}{q}\) avec \(p, q \in \mathbb{N}^*\). D’après c), \(u_q < \dfrac{p}{q} < u_q + \dfrac{1}{q \cdot q!}\). Multiplions par \(q \cdot q! > 0\) :
\[q \cdot q! \, u_q < p \cdot q! < q \cdot q! \, u_q + 1.\]
Or \(K = q! \, u_q = \displaystyle\sum_{k=0}^{q} \frac{q!}{k!}\) est un entier, car chaque \(\dfrac{q!}{k!}\) en est un pour \(k \leq\, q\). L’entier \(p \cdot q!\) serait donc strictement compris entre les deux entiers consécutifs \(qK\) et \(qK + 1\). C’est impossible.
Donc \(e\) est irrationnel.
Barème : a) 0,5 point ; b) 1,5 point : 0,5 point pour la réduction, 0,5 point pour le calcul du numérateur, 0,5 point pour la conclusion ; c) 0,5 point (limite de la différence et théorème cité) ; d) 1,5 point : 0,5 point pour l’encadrement strict, 0,5 point pour K entier, 0,5 point pour la contradiction.
Exercice 5 : Problème – Bolzano-Weierstrass et lemme de Cesàro (5,5 points)
Partie A : valeurs d’adhérence
- Théorème de Bolzano-Weierstrass : de toute suite réelle bornée, on peut extraire une suite convergente.
- Supposons que \((u_n)\) ne converge pas vers \(\ell\). En niant la définition, on obtient :
\[\exists \varepsilon > 0,\ \forall N \in \mathbb{N},\ \exists n \geq\, N,\ |u_n – \ell| \geq\, \varepsilon.\]
Il y a donc une infinité d’indices \(n\) tels que \(|u_n – \ell| \geq\, \varepsilon\). On construit ainsi une extractrice \(\varphi\) strictement croissante avec \(|u_{\varphi(k)} – \ell| \geq\, \varepsilon\) pour tout \(k\).
La suite \((u_{\varphi(k)})\) est bornée, car \((u_n)\) l’est. Par Bolzano-Weierstrass, elle admet une suite extraite \((u_{\varphi(\psi(k))})\) qui converge vers un réel \(\ell^{\prime}\). En passant à la limite dans l’inégalité large, \(|\ell^{\prime} – \ell| \geq\, \varepsilon\), donc \(\ell^{\prime} \neq \ell\).
Or \(\varphi \circ \psi\) est strictement croissante, donc \(\ell^{\prime}\) est une valeur d’adhérence de \((u_n)\) distincte de \(\ell\). C’est contraire à l’hypothèse. Donc \((u_n)\) converge vers \(\ell\).
Partie B : moyennes de Cesàro
- Soit \(\varepsilon > 0\). Comme \(u_n \to 0\), il existe \(N_1 \geq\, 1\) tel que \(|u_k| \leq\, \dfrac{\varepsilon}{2}\) pour tout \(k > N_1\). Posons \(S = |u_1 + \cdots + u_{N_1}|\), qui ne dépend pas de \(n\). Pour \(n > N_1\), l’inégalité triangulaire donne :
\[|c_n| \leq\, \frac{S}{n} + \frac{1}{n}\sum_{k=N_1+1}^{n} |u_k| \leq\, \frac{S}{n} + \frac{n – N_1}{n} \cdot \frac{\varepsilon}{2} \leq\, \frac{S}{n} + \frac{\varepsilon}{2}.\]
Ensuite, \(\dfrac{S}{n} \to 0\), donc il existe \(N_2\) tel que \(\dfrac{S}{n} \leq\, \dfrac{\varepsilon}{2}\) pour \(n \geq\, N_2\). Pour \(n \geq\, \max(N_1 + 1, N_2)\), on obtient \(|c_n| \leq\, \varepsilon\). Donc \((c_n)\) converge vers \(0\).
- Posons \(w_n = u_n – \ell\), qui tend vers \(0\). Ses moyennes de Cesàro valent \(\dfrac{w_1 + \cdots + w_n}{n} = c_n – \ell\). D’après 3, elles tendent vers \(0\). Donc \(c_n \to \ell\).
Réciproque fausse : prenons \(u_n = (-1)^n\). Alors \(c_n = 0\) si \(n\) est pair et \(c_n = -\dfrac{1}{n}\) si \(n\) est impair, donc \(c_n \to 0\). Pourtant \((u_n)\) diverge, puisque ses termes pairs valent \(1\) et ses termes impairs \(-1\).
- Posons \(w_k = u_{k+1} – u_k\), qui tend vers \(a\). D’après 4, ses moyennes de Cesàro tendent vers \(a\). Or la somme télescope :
\[\frac{w_1 + \cdots + w_n}{n} = \frac{u_{n+1} – u_1}{n}.\]
Comme \(\dfrac{u_1}{n} \to 0\), on en déduit \(\dfrac{u_{n+1}}{n} \to a\). Enfin \(\dfrac{u_{n+1}}{n+1} = \dfrac{u_{n+1}}{n} \cdot \dfrac{n}{n+1}\) tend vers \(a \times 1 = a\). Donc \(\dfrac{u_n}{n} \to a\).
Barème : 1) 0,5 point ; 2) 1,5 point : 0,5 point pour la négation, 0,5 point pour la double extraction, 0,5 point pour la contradiction ; 3) 1,5 point : 0,5 point pour le découpage de la somme, 0,5 point pour le choix de N1 et N2, 0,5 point pour la conclusion ; 4) 1 point : 0,5 point pour la généralisation, 0,5 point pour le contre-exemple ; 5) 1 point : 0,5 point pour le télescopage, 0,5 point pour la conclusion.
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Après le corrigé du contrôle : borne supérieure et convergence des suites
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