Suites Numériques - Etude de Suites Récurrentes
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Enoncés
Etude de suites récurrentes récurrentes
1 ( un ) est bien définie et a) Justifier que la suite (u
∀n ∈ N, u ∈ [−2 ; 2 ]
[Correction] ( un ) définie par Étudier la suite (u
n
02304 ] Exercice 1 [ 02304
u0 = a = a
∈ R et ∀n ∈ N, u
( un ) ? b) Quelles sont les limites finies possibles pour (u c) Montrer que ( |un − 1|) converge puis que lim |un − 1| = 0 . En déduire lim un .
= u2n n+1 = u
02305 ] [Correction] Exercice 2 [ 02305 Étudier la suite (u ( un ) définie par
[Correction] 0 < |a| 0 et (u ( un ) la suite définie par u 0 > 0 > 0 et
[Correction] Étudier la suite (u ( un ) définie par
∀n ∈
≥ 1 et ∀n ∈ N, u
n+1 =
1 + ln(u ln( un )
1 N, un+1 = 2
( un ). a) Étudier la convergence de la suite (u b) On pose pour tout n ∈ N
[Correction] Étudier la suite (u ( un ) définie par 02307 ] Exercice 5 [ 02307
vn =
∈ R et ∀n ∈ N, u
n+1 =
e
un
−1
∀ ∈ N, u
n+1 =
1 2 + u + un
[Correction] ( un ) la suite réelle définie par Soit (u n+1
− √ √ a
u n un +
a
n
0
2 0
n
n
2 Ainsi, u n 0 0 n∞ On peut alors par des calculs élémentaires, déterminer une approximation de √ a.
02309 ] Exercice 7 [ 02309
∈ [−2 ; 2 ] et ∀n ∈ N, u
a un + un
− √ a ≤ 2u .v √ réalise une approximation de a à la précision 2u 2 u .v → 0.
u
[Correction] Étudier la suite (u ( un ) définie par u0 > 0 > 0 et n
Calculer v n+1 en fonction de v n , puis v n en fonction de v 0 et n . √ c) Montrer que, si u 0 > a, on a
02308 ] Exercice 6 [ 02308
u0 = a = a
−u
02312 ] Exercice 9 [ 02312
02306 ] Exercice 4 [ 02306
u0
un 2
Montrer que (u ( un ) est bien définie et |un | 0 . On considère l’équation ln x + x a) Montrer que l’équation possède une unique solution α .
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Enoncés
b) Former, par l’algorithme de Newton, une suite récurrente réelle (un ) convergeant vers α .
2
[Correction] Étudier la suite définie par Exercice 15 [ 00328 ]
u0
∈ R
[Correction] Déterminer le terme général de la suite (un ) définie par : Exercice 11 [ 02311 ]
u0 = a > 0, u1 = b > 0 et n
∀ ∈ N, u
2
n+2 un = u n+1
Exercice 16 [ 00330 ]
+
[Correction]
Soient a > 0 ,
À quelle condition (un ) converge ?
√ √ u = a, u = a + a, u = 1
= u
Exercice 17 [ 00331 ]
n
u0 = a et n
∀ ∈ N, u
n+1
1+
1+
a +
√ a,
f : x
→ x
3
+1 3
et (un ) la suite définie par
∈ R et ∀n ∈ N, u
u0
√ 1 + ··· = 1 +
1 1+
1 1+
..
.
[Correction] Soit (un ) une suite réelle vérifiant
n+1 = f (un )
a) Justifier que l’équation f (x) = x possède trois racines réelles (qu’on n’exprimera pas). b) Étudier le signe de f (x) − x ainsi que la monotonie de f . c) Préciser le comportement de (un ) en discutant selon la valeur de u 0 .
Exercice 18 [ 00332 ]
Exercice 14 [ 03229 ]
[Correction]
Soient
∀n ∈ N, u ∈ [1/2 ; 1 ] Soit (vn ) la suite déterminée par
∀ ∈ N, v
n+1 =
vn + un+1 1 + un+1 vn
Montrer que la suite (vn ) converge et déterminer sa limite.
3
f : x
n
v0 = u0 et n
a +
[Correction]
k=0
[Correction]
3
Soit
k
a) Déterminer la limite de (un ). b) Déterminer la limite de u n+1 − un .
Établir
2
Montrer que (un ) est convergente.
[Correction] Soit a ∈ R∗+ . On définit une suite (un ) par Exercice 12 [ 02301 ]
Exercice 13 [ 00094 ]
1 4
et ∀n ∈ N, un+1 = 1 + u2n
3ax → x3x++ a 2
(avec a > 0) et (un ) la suite définie par u0 > 0 et n
∀ ∈ N, u = f (u ) Étudier les variations de f , le signe de f (x) − x et en déduire le comportement de (un ).
n+1
n
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Enoncés
[Correction] Soient u 0 ∈ ]0;1[ et pour tout n ∈ N,
[Correction] Soient ρ ∈ R+ et θ ∈ ]−π ; π]. On considère la suite complexe (zn )n∈N définie par
Exercice 19 [ 00333 ]
Exercice 23 [ 00336 ]
un+1 = u n
2
−u
n
Montrer que (un ) est monotone de limite nulle. Déterminer les limites des suites dont les termes généraux sont les suivants n
n
u et (1 − u ) 2
k
k
k=0
3
z0 = ρ eiθ et n
∀ ∈ N, z
n+1 =
z n + zn 2
| |
a) Exprimer z n à l’aide d’un produit. b) Déterminer la limite de la suite (zn )n∈N.
k=0
[Correction] Soit (un ) une suite de réels positifs telle que Exercice 24 [ 00338 ]
[Correction] Soit f : [a ; b] → [a ; b] une fonction de classe C 1 telle que Exercice 20 [ 00334 ]
∀n ∈ N, u ≤ 12 (u n+2
∀x ∈ [a ; b], |f (x)| 0 , Exercice 27 [ 02783 ] ∗
yn =
x1 +
x2 +
··· + √ x
n
a) Ici x n = a pour tout n , où a > 0 . Étudier la convergence de (yn ). b) Même question dans le cas où x n = ab2 pour tout n , avec b > 0. c) Montrer que (yn ) converge si, et seulement si, la suite (x2n ) est bornée. n
−n
[Correction] Soient (an ) une suite réelle positive, bornée et (un ) la suite récurrente définie par Exercice 28 [ 03165 ]
u0 > 0 et u n+1 =
1 pour tout n un + an + 1
∈N
Montrer que la suite (un ) converge si, et seulement si, la suite (an ) converge. [Correction] Montrer que la suite réelle (xn ) définie par x 0 ∈ [a ; b] et Exercice 29 [ 00844 ]
∀n ∈ N, x
n+1 =
1 (f (xn ) + xn ) 2
où f est 1-lipschitzienne de [a ; b] dans [a ; b], converge vers un point fixe de f .
4
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Corrections
Corrections
[énoncé] On a u 0 = a, u1 = a2 , u2 = a4 , par récurrence u n = a2 . Pour |a| 1, u n → +∞. Exercice 1 :
n
[énoncé] La suite (un ) est bien définie et supérieure à 1 à partir du rang 1 car la fonction itératrice f : x → x2 + 1 est définie sur R et à valeurs dans [1 ; +∞[. un+1 − un = u2n − un + 1 ≥ 0 car le discriminant de x 2 − x + 1 est ∆ = −3 0 alors (un ) est croissante. Si (un ) converge vers un réel alors = e − 1 donc = 0 . Or (un ) est minorée par u 0 > 0 donc ne peut converger vers 0. Par suite (un ) diverge vers + ∞. Si u 0 0 alors 1+
√ 2 − u
n =
|u − 1| |u − 1| → 1 n
u
n+1
√ 1 − a= u 2
Pour n ≥ 1, donc
un 2−un
existe et
n
n+1
n
→ √ a. vn+1 =
n
2n−1
1
√ − √ √ aa = uu +− 22√ au au
u
n
2
n + a
n
n + a
2
n
=
u
n
− √ √ a
un +
2
a
= v n2
Exercice 10 :
n
− √ a ≤ v
n
u + √ a ≤ 2u v = 2u v n
n
2 0 0
0 n
[énoncé]
n
n
n+1
puis
|u | ≤ n
Par suite u n → 0.
a) f : x → ln x + x réalise une bijection strictement croissante de R ∗+ vers R . L’équation proposée possède une unique solution α = f −1 (0). b) L’algorithme de Newton, propose de définir la suite (un ) par la relation :
n
1
|a| → 0 2 − |a|
un+1 = u n
u + u − f f (u(u )) = u − ln1/u + 1 n
n
n
n
n
n
=
u n (1 ln un ) un + 1
−
La fonction f est de classe C 2 , f (x) = x1 + 1 et f (x) = − x1 ne s’annulent pas. Pour u 0 > 0 tel que f (u0 )f (u0 ) ≥ 0, la suite converge vers α . 2
[énoncé] √ La suite (un ) est bien définie et à valeurs dans [ a ; +∞[ à partir du rang 1 car de fonction itératrice Exercice 9 :
f : x
définie sur R ∗+
n
n
n
n
n
n
u n+1 un+1 +
donc v n = v 02 . c)
Récurrence établie.
|u | ≤ 2 −|u|u| | ≤ |u | donc ( |u |) est décroissante d’où |u | ≤ |a| puis |u | ≤ 2 |−u ||a|
n
n
n
donc u n b)
n
n
n+1
|u | ≤ |2 |−u u| | ≤ 2 −|u|u| | < 1 n+1
2
n
u − √ a ≤ 1 u − √ a 2 u − √ a ≤ 1 u − √ a
Exercice 8 :
n
(u − √ a) |u − √ a| |u − √ a| √ − a = 2 |u | = 2 u |u − √ a| = u − √ a ≤ 1 u u n
Par récurrence :
n
a
n
donc 2 − un → 0 puis u n → 2. C’est impossible. Nécessairement |un − 1| → 0 et donc u n → 1.
[énoncé] Par récurrence montrons u n existe et |un | 0 En passant la relation précédente à la limite : 0 = Par suite u n → +∞. un+1
donc
−u
n =
n−1 k=0 u k
≥0
− | = v1 − 1 ≤ |v|v −| | ≤ |v − | n
|v
n+1
n
Par récurrence, on obtient
= 12 . C’est absurde. +
|v − | ≤ 1 |v − | n
un un+1 + un
Par suite u n+1 ∼ un et
−
1 1= un+1 + un
et donc v n → car > 1. Ainsi 1+
1 1+
−
1 un = un+1 /un + 1
.
[énoncé] On vérifie sans difficultés que la suite (vn ) est définie et que ses termes sont positifs. De plus, on vérifie par récurrence que
→
1 2
[énoncé] √ Posons (un ) la suite déterminée par u 0 = 1 et pour tout n ∈ N, u n+1 = 1 + un . La suite (un ) est bien définie et à valeurs positive.√ Si celle-ci converge, c’est vers ≥ 0 vérifiant = 1 + i.e. =
√ 1 + 5 2
∀n ∈ N, v ≤ 1 n
− | = √ 1 + u − n
car (1
−u
n+1 )(1
vn+1
√ 1 + =
√ 1 + u|u +− √ | 1 + ≤ |u 2− | n
− v ) ≥ 0 =⇒ n
On a alors
(nombre d’Or)
On a
..
→0
Exercice 13 :
n+1
=
1
Exercice 14 :
un+1
|u
0
n
1+
un+1 un
n
n
n
−v
n =
vn + un+1 1 + un+1 vn
u n+1 (1 vn2 ) 1 + un+1vn
−
≤1
≥0
et la suite (vn ) est donc croissante et majorée. Par conséquent celle-ci converge vers une certaine limite ∈ R.
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Corrections
Dans le cas où la suite (un ) est constante égale à 1, on observe que = 1 . Peut-être est-ce encore vrai dans le cas général? Pour le voir, étudions la suite (1 − vn ). On a 0
≤1−v
n+1 =
donc par récurrence 0
(1
−u
vn ) n+1 )(1 1 + un+1 vn
−
≤ 12 (1 − v
n)
0
n
et on en déduit
Exercice 18 :
vn
[énoncé] Si (un ) converge sa limite vérifie = 1 + 2 /4 d’où = 2 . un+1
−u
n =
1 (un 4
2
− 2) ≥ 0
(un ) est croissante. Si u 0 > 2 alors (un ) diverge vers + . Si u 0 [0;2] alors on vérifie aisément que (un ) est majorée par 2 et on conclut un 2.
∞
∈ →
[énoncé] un+1 ≥ un donc (un ) est croissante. Par récurrence montrons u n ≤ a + 1. La relation √ est vraie pour √ n = 1 et l’hérédité s’obtient par un+1 = a + un ≤ 2a + 1 ≤ a + 1. Exercice 16 :
donc f est croissante et par suite (un ) est monotone. √ √ Les racines de l’équation f (x) = x sont 0, a et − a. Ce sont les seules limites possibles pour (un ). √ √ a). f (x) − x est du signe de ax − x3 = −x(x − a)(x + √ √ √ Si u 0 ∈ ]0√ ; a] la suite est croissante est majorée par a donc converge vers a √ Si √ a u. 0 ∈ [ a ; +∞[ la suite est décroissante et minorée par a donc converge vers Exercice 19 :
2
− a)
[énoncé]
un+1 un = u2n 0 donc (un ) est décroissante. Aisément, on montre que un ]0;1[ pour tout n N et donc on peut conclure que (un ) converge. Sa limite vérifie = 2
∈
−
− ≤
d’où = 0 .
∈
−
n
n
u = u − u 2
k
k
k=0
et
k+1 = u 0
k=0
n
n
(1 − u ) = u k
[énoncé]
k=0
a) Il suffit de dresser le tableau de variation de f . On note α < β < γ ces trois racines. b) f est croissante et
[énoncé]
f (x) est du signe de 3(x2
→ 1
Exercice 15 :
Exercice 17 :
Enfin si u 0 ≤ α (resp. β , γ ) alors pour tout n , u n ≤ α (resp. β , γ ) et de même pour ≥. Au final on peut conclure : u0 ∈ ]−∞ ; α[ donne (un ) décroissant vers −∞. u0 = α donne (un ) constante égale à α . u0 ∈ ]α ; γ [ donne (un ) convergeant vers β . u0 = γ donne (un ) constante égale à γ . u0 ∈ ]γ ; +∞[ donne (un ) croissant vers + ∞.
≤ 1 − v ≤ 21 (1 − v ) n
8
x f (x) x
−
−
α β 0 + 0
−
γ 0
+
c) un ≤ un+1 =⇒ f (un ) ≤ f (un+1 ) donc u 0 ≤ f (u0 ) =⇒ (un ) croissante. De même u n ≥ un+1 =⇒ f (un ) ≥ f (un+1 ) donc u 0 ≥ f (u0 ) =⇒ (un ) décroissante. Les seules limites finies possibles pour (un ) sont α,β,γ .
Exercice 20 :
k=0
k+1
uk
=
− u → u n+1
u n+1 u0
0
→0
[énoncé]
a) Soit g : [a ; b] → R définie par g (x) = f (x) − x. g est continue, g(a) ≥ 0 et g(b) ≤ 0 donc g s’annule en un point α qui est alors point fixe de f . Si α et β sont deux points fixes distincts alors par application du théorème des accroissements finis, il existe c ∈ [a ; b] tel que f (c) = 1 ce qui est incompatible avec les hypothèses.
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Corrections
b) La fonction x → |f (x)| est continue sur le segment [a ; b], elle y admet donc un maximum en un point c ∈ [a ; b] et en posant k = |f (c)| on a
∀x ∈ [a ; b], |f (x)| ≤ k avec k ∈ [0;1[
Par l’inégalité des accroissements finis, f est k lipschitzienne et alors par récurrence : n
∀n ∈ N, |u − α| ≤ k |u − α| → 0 n
d’où le résultat. Exercice 21 :
9
c) On obtient aisément u n = 4 sin2 2n α. La suite est stationnaire √ si, et seulement si, il existe n ∈ N tel que u n = 0 ou 3 i.e. sin 2 (2n α) = 0, 3/2, − 3/2 soit encore 2 n α = kπ/3 avec k ∈ Z. Ainsi les u 0 pour lesquels la suite est stationnaire sont les sin(kπ/3.2n ) avec k ∈ Z et n ∈ N.
Exercice 23 :
a) z1 =
ρ eiθ +ρ 2
θ 2
= ρ cos θ2 e i . Par ce principe : θ θ zn = ρ cos cos 2 4
[énoncé] un+1
−u
n =
(f (un )
− f (u
n−1 ))
+ (un
2
−u
n−1 )
b) ei
θ
2n
θ θ cos cos 2 4
|f (u ) − f (u )| ≤ |u − u | − u est du signe de u − u , n
n−1
n
Finalement z n →
∈ [a ; b].
u n + f (un ) un+1 = 2 =
i 2θn
n
··· cos 2θ
n
=
sin θ 2n sin 2θ
→ sinθ θ (ou 1 si θ = 0)
n
n−1
donc u n+1 n n n−1 (en fait la fonction itératrice est croissante). Par suite (un ) est monotone et étant bornée elle converge vers un La relation donne à la limite
··· cos 2θ e
→ 1 et
Puisque f est 1 lipschitzienne on a
+ f () 2
donc f () = . Exercice 22 :
[énoncé]
.
[énoncé] On a u n ≤ vn et u n+1 ≤ vn , v n+1 = max(un+2, un+1 ) avec un+2 ≤ 12 (un + un+1) ≤ vn et u n+1 ≤ vn donc (vn ) est décroissante. (vn ) est décroissante et minorée par 0 donc (vn ) converge. On a u n+1 ≤ vn .
≤ max
a) On observe que x → 4x − x2 est une application de [0;4] dans lui-même. Par suite u n ∈ [0;4] pour tout n ∈ N. Si (un ) converge alors, en posant sa limite, on a = 4 − 2 d’où = 0 ou = 3 . b) Supposons que u n → 0. S’il existe un rang n tel que u n = 0 alors la suite (un ) est stationnaire égale à 0. Sinon on a u n > 0 pour tout n ∈ N et donc un+1 − un ∼ 3un > 0 . Ainsi, à partir d’un certain rang, la suite est strictement croissante. De même si u n → 3 sans être stationnaire égale à 3, on observe que la suite |un − 3| est strictement croissante à partir d’un certain rang.
θ
Exercice 24 :
vn+1
[énoncé]
sin θ
1 2
(un+1 + un ), un+1
= max
1
1 1 1 (un+1 + un ), (un+1 + un+1) = un+1 + 2 2 2 2
donc 2vn+1 − vn ≤ un+1 ≤ vn donc (un ) converge vers la même limite que (un ). [énoncé] Les suites (un ) et (vn ) sont bien définies et à termes positifs. Sachant √ Exercice 25 :
∀a, b ∈ R
+
on a
, ab
∀n ≥ 1, u ≤ v n
puis
≤ a + b 2
un+1
≥ u
n
n
et v n+1 ≤ vn
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Corrections
Les suites (un )n≥1 et (vn )n≥1 sont respectivement croissante et décroissante et on a
∀n ≥ 1, u ≤ u ≤ v ≤ v n
0
n
Exercice 28 :
10 [énoncé]
Posons M = sup an
0
Par convergence monotone, (un ) et (vn ) convergent vers des limites et . En passant la relation
u n + vn vn+1 = 2
n∈N
On vérifie aisément que la suite (un ) est bien définie et que pour tout n ≥ 2 1 M + 2
à la limite on obtient = .
Exercice 26 :
≤ u ≤ 1 n
Supposons la convergence de la suite (un ). Sa limite est strictement positive. En résolvant l’équation définissant u n+1 en fonction de u n , on obtient
[énoncé]
an =
a) Exploiter 1 + cos x = 2cos 2 x2 et raisonner par récurrence. b) sin
α 1 vn = n sin α 2n 2
∼ 2
sin α n sin(α/2n )
et aussi un
v0 = 1 et v n+1 =
→ sinα α
−u −1 n
On en déduit que la suite (an ) converge. Inversement, supposons que la suite (an ) converge vers une limite , ≥ 0. Considérons la suite (vn ) définie par
via sin a cos a = 12 sin 2a. Par suite vn
1 un+1
1 pour tout n vn + + 1
∈N
On vérifie que la suite (vn ) est bien définie et à termes strictement positifs. L’équation
→ sinα α
x =
1 x + + 1
possède une racine L > 0 et on a [énoncé] Notons que la suite (yn ) est croissante, elle est donc convergente si, et seulement si, elle est majorée. √ a) Ici y n+1 = a + yn . Soit la racine positive de l’équation 2 − − a = 0 i.e. Exercice 27 :
=
1 +
√ 1 + 4a
n+1
ce qui permet d’établir que la suite (vn ) converge vers L . Considérons ensuite la suite (αn ) définie par αn = u n
2
On a
√
On remarque que y 1 = a ≤ et on montre par récurrence y n ≤ . La suite (yn ) est croissante et majorée donc convergente. b) On observe que la nouvelle suite (yn ) est désormais égale à b fois la précédente, elle est donc convergente. c) Si (yn ) converge vers alors x 2n ≤ yn ≤ donc (x2n ) est bornée. Si (x2n ) est bornée par une certain M alors x n ≤ M 2 , la suite (yn ) définie par (xn ) est alors inférieure à celle obtenue par (M 2 ), cette dernière étant convergente, la suite (yn ) converge. −n
− L| − L| ≤ |v1 + L n
|v
−n
−n
n
n
αn+1 =
−v
n
αn + ( an ) (un + an + 1)(vn + + 1)
−
et donc
|α | ≤ k (|α | + |a − |) n+1
avec
k =
n
1 m + 1
n
∈ [0;1[
où m > 0 est un minorant de la suite convergente (vn ).
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Corrections
Par récurrence, on obtient
La relation xn+1 =
n−1
|α | ≤ k n
n
|α | + k 0
n− p
p=0
|a − | p
=
donc f () = .
∀ p ≥ p , |a − | ≤ ε p
0
n−1
k
+∞
n− p
p= p0
|a − | ≤ ε p
k
p
=
k=1
kε 1
−k
Pour n assez grand p0 −1
k
n− p
p=0
te n
|a − | = C p
et on en déduit
k
≤ ε et k |α | ≤ ε n
0
|α | ≤ 2ε + 1 kε −k n
Ainsi α n → 0 et par conséquent
un
→ L
[énoncé] La fonction itératrice de cette suite récurrente est Exercice 29 :
g : x
→ 12 (f (x) + x)
On vérifie aisément que cette fonction est définie sur [a ; b] et à valeurs dans [a ; b]. On en déduit que la suite (xn ) est bien définie et que c’est une suite d’éléments de [a ; b]. On a xn+1
−x
n =
(f (xn )
− f (x
n−1 ))
2
+ (xn
−x
n−1 )
Puisque f est 1-lipschitzienne, on a
|f (x ) − f (x n
n−1 )
| ≤ |x − x | n
x n + f (xn ) 2
donne à la limite sachant f continue
Soit ε > 0 . Puisque la suite (an ) converge vers , il existe p 0 tel que et alors
11
n−1
et donc x n+1 − xn est du signe de x n − xn−1 . Par conséquent, la suite (xn ) est monotone et sa monotonie découle du signe de x 1 − x0 . La suite (xn ) étant de plus bornée, elle converge vers une certaine limite avec ∈ [a ; b].
+ f () 2
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