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Exemples :

Chapitre 210 : Nombres réels et suites numériques Quelques rappels : majorant/minorant

On dit que AA est majoré s’il existe

MRM \in \mathbb{R} tq : xA,xM\forall x \in A, x \leq M

Un tel MM est appelé un majorant de AA. AA est majoré ssi : (MR)(xA)(xM)(\exists M \in \mathbb{R})(\forall x \in A)(x \leq M)

A admet un maximum ssi AA est majoré par un élément de AA.

α=max(A)\alpha = \max (A)

c’est-à-dire si AA est minoré par un de ses éléments.

Dans ce cas, le réel μ\mu est unique et on l’appelle le minimum de AA, noté min(A)\min (A)

Exemples :

  1. N\mathbb{N} n’est pas minoré par 0 qui est un minimum mais N\mathbb{N} n’a pas de majorant.

  2. [0,1[[0,1[ est borné : majoré par 1, minoré par 0. Considérons le sous-intervalle [0,1[[0,1[ : il n’admet pas de maximum. En effet, pour tout x[0,1[x \in [0,1[, on a : 0x<10 \leq x < 1, et pour tout x<1x < 1, il existe y[0,1[y \in [0,1[ tel que x<y<1x < y < 1.

  3. A={1+1nnN}A = \left\{1 + \frac{1}{n} \mid n \in \mathbb{N}^*\right\}

AA est minoré par 1 et majoré par 2. Pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, on a : 1<1+1n+1<1+1n1 < 1 + \frac{1}{n+1} < 1 + \frac{1}{n}, donc AA n’a pas de minimum.

b) A={x+1xxR}A = \left\{x + \frac{1}{x} \mid x \in \mathbb{R}^*\right\}

Donc x>0\forall x > 0, x+1x2x + \frac{1}{x} \geq 2, donc 2 est un minorant de AA et min(A)=2\min (A) = 2.

c) Soit xRx \in \mathbb{R}.

Posons x=tan(t2)x = \tan \left(\frac{t}{2}\right) pour t]π,π[t \in ]-\pi, \pi[

2x1+x2=sin(t)\frac{2x}{1+x^2} = \sin(t)

Lorsque tt parcourt ]π,π[]-\pi, \pi[, sin(t)\sin(t) parcourt [1,1][-1,1] entièrement, donc 2x1+x2\frac{2x}{1+x^2} parcourt [1,1][-1,1], donc AA est minoré par -1, majoré par 1.

1=2×(1)1+(1)2A,1=2×11+12A-1 = \frac{2 \times (-1)}{1 + (-1)^2} \in A, \quad 1 = \frac{2 \times 1}{1 + 1^2} \in A

Donc min(A)=1,max(A)=1\min (A) = -1, \max (A) = 1

Valeur absolue

Soit xR,yRx \in \mathbb{R}, y \in \mathbb{R}

Si (xi)iI(x_i)_{i \in I} est une famille finie de réels.

Alors iIxiiIxi\left|\sum_{i \in I} x_i\right| \leq \sum_{i \in I} |x_i|

Bornes supérieure, borne inférieure

Soit EE un ensemble NON VIDE et MAJORÉ. L’entier EE admet un majorant “le plus petit” que tous les autres, c’est-à-dire le plus petit des majorants de EE, appelé la borne supérieure de EE, notée sup(E)\sup (E).

Exemples :

  1. E=[a,b]E = [a, b]

xE,xb\forall x \in E, \quad x \leq b, donc bb est un majorant de EE.

Soit MM un majorant de EE.

Alors : xE,xM\forall x \in E, x \leq M, et puisque bEb \in E, on a bMb \leq M.

Donc bb est le plus petit des majorants de EE : b=sup(E)b = \sup (E).

  1. E=[a,b[E = [a, b[

Alors aM<ba \leq M < b.

Posons x=b+M2x = \frac{b + M}{2}.

On a : aM<x<ba \leq M < x < b.

Donc xEx \in E et x>Mx > M, ce qui contredit la définition de MM. Ainsi MbM \geq b.

Donc b=sup(E)b = \sup (E).

Ici, bEb \notin E, donc EE n’admet pas de maximum.

  1. β\beta est un majorant de EE,

  2. tout autre majorant MM de EE vérifie MβM \geq \beta.

Caractérisation de la borne supérieure

Soit EE un ensemble non vide et majoré.

Soit βR\beta \in \mathbb{R}

β=sup(E) ssi {xE,xβ(ε>0)(tE)(βε<t)(Condition)\beta = \sup (E) \text{ ssi } \left\{ \begin{array}{l} \forall x \in E, x \leq \beta \\ (\forall \varepsilon > 0)(\exists t \in E)(\beta - \varepsilon < t) \end{array} \right. \quad \text{(Condition)}

Preuve :

(CN). Supposons que β=sup(E)\beta = \sup (E).

Il est clair que : xE,xβ\forall x \in E, x \leq \beta, donc β\beta est un majorant de EE.

Soit ε>0\varepsilon > 0.

βε<β\beta - \varepsilon < \beta.

Or β\beta est le plus petit des majorants de EE, donc βε\beta - \varepsilon n’est pas un majorant de EE, donc il existe tEt \in E tel que t>βεt > \beta - \varepsilon.

(CS) Supposons que :

{xE,xβ(ε>0)(tE)(βε<t)\left\{ \begin{array}{l} \forall x \in E, x \leq \beta \\ (\forall \varepsilon > 0)(\exists t \in E)(\beta - \varepsilon < t) \end{array} \right.

Supposons par l’absurde que EE admet un majorant β<β\beta' < \beta.

Alors β=βε\beta' = \beta - \varepsilonε=ββ\varepsilon = \beta - \beta'.

D’après la deuxième assertion, il existe tEt \in E tel que βε<t\beta - \varepsilon < t, donc β<t\beta' < t, ce qui contredit le fait que β\beta' est un majorant de EE.

Ainsi, tout autre majorant β\beta' de EE vérifie ββ\beta' \geq \beta, donc β\beta est le plus petit des majorants de EE.

Corollaire :

Soit EE un ensemble non vide et minoré. Alors, EE admet un minorant “le plus grand” que tous les autres. Ce plus grand des minorants est appelé borne inférieure de EE et notée inf(E)\inf (E).

  1. α\alpha est un minorant de EE,

  2. tout autre minorant mm de EE vérifie mαm \leq \alpha.

Caractérisation de la borne inférieure

Soit EE un ensemble non vide et minoré. Soit αR\alpha \in \mathbb{R}

α=inf(E) ssi {xE,xα(ε>0)(tE)(α+ε>t)\alpha = \inf (E) \text{ ssi } \left\{ \begin{array}{l} \forall x \in E, x \geq \alpha \\ (\forall \varepsilon > 0)(\exists t \in E)(\alpha + \varepsilon > t) \end{array} \right.

Rappel sur la partie entière :

Soit xRx \in \mathbb{R}.

Il existe un unique entier pZp \in \mathbb{Z} tel que px<p+1p \leq x < p+1.

On note x\lfloor x \rfloor cet entier pp, appelé partie entière de xx.

Densité de Q\mathbb{Q} dans R\mathbb{R}

Soit xR,yRx \in \mathbb{R}, y \in \mathbb{R} tels que x<yx < y.

Alors il existe un rationnel rr tel que : x<r<yx < r < y.

Preuve :

Supposons que x<yx < y.

Posons ε=yx>0\varepsilon = y - x > 0 et N=1ε+1N = \left\lfloor \frac{1}{\varepsilon} \right\rfloor + 1.

Alors Nε=N(yx)>1N \varepsilon = N(y - x) > 1.

p=Nx+1Zp = \left\lfloor N x \right\rfloor + 1 \in \mathbb{Z}

Nx<pNx+1<NyN x < p \leq N x + 1 < N y

x<pN<yx < \frac{p}{N} < y et pNQ\frac{p}{N} \in \mathbb{Q}

Conséquence de la densité

Pour tout nNn \in \mathbb{N}, il existe rRr \in \mathbb{R} tel que x<r<x+12nx < r < x + \frac{1}{2^n}

Généralités sur les suites

On appelle suite numérique toute application u:NRu : \mathbb{N} \rightarrow \mathbb{R}

nunn \mapsto u_n

On la note (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}}

On définit aussi des suites définies à partir d’un certain rang.

Soit n0Nn_0 \in \mathbb{N}. Une suite définie à partir du rang n0n_0 est une application u:[n0,+[Ru : [n_0, +\infty[ \rightarrow \mathbb{R}

On la note (un)nn0(u_n)_{n \geq n_0}, nunn \mapsto u_n

Exemples de suites :

ln(x)+x=n\ln (x) + x = n

(implicite)

xx0++\infty
ff-\infty++\infty
limx0x>0f(x)=,limx+f(x)=+\lim_{\substack{x \rightarrow 0 \\ x > 0}} f(x) = -\infty, \quad \lim_{x \rightarrow +\infty} f(x) = +\infty

Elle réalise une bijection de ]0,+[]0, +\infty[ sur R\mathbb{R} (théorème de la bijection), donc nN\forall n \in \mathbb{N}, il existe un]0,+[u_n \in ]0, +\infty[ tel que ln(un)=n\ln (u_n) = n.

Prenons u0Iu_0 \in I, u1=f(u0)Iu_1 = f(u_0) \in I, u2=f(u1)Iu_2 = f(u_1) \in I, ...

On peut définir une suite (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} avec la condition u0Iu_0 \in I et la formule de récurrence : nN\forall n \in \mathbb{N}, un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n)

(suite définie par récurrence)

Exemple : f:],2][0,+[f : ]-\infty, 2] \rightarrow [0, +\infty[

x2xx \mapsto \sqrt{2 - x}

L’intervalle [2,2][-2, 2] est stable par ff. Si 0[2,2]0 \in [-2, 2], la suite (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) est bien définie.

Notation : L’ensemble des suites numériques définies sur N\mathbb{N} est noté RN\mathbb{R}^{\mathbb{N}}

(L’ensemble des applications de N\mathbb{N} dans R\mathbb{R} est)

Opérations sur les suites

Soit (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}}, (vn)nN(v_n)_{n \in \mathbb{N}} et λR\lambda \in \mathbb{R}

RN\mathbb{R}^{\mathbb{N}} est muni de ces trois opérations +×+ \times, et on dit que :

Soit (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite numérique.

(M est appelé majorant de la suite)

(mR)(MR)(nN)(munM)(\exists m \in \mathbb{R})(\exists M \in \mathbb{R})(\forall n \in \mathbb{N})(m \leq u_n \leq M)

Propriété :

Soit (un)nNRN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} \in \mathbb{R}^{\mathbb{N}}.

La suite (un)(u_n) est bornée ssi elle est majorée et minorée.

Preuve :

Par définition, il existe m,MRm, M \in \mathbb{R} tels que :

nN,munM\forall n \in \mathbb{N}, m \leq u_n \leq M

Posons C=max(m,M)C = \max(|m|, |M|)

Donc unC|u_n| \leq C, donc (un)(u_n) est bornée.

Alors il existe m,MRm, M \in \mathbb{R} tels que :

nN,munM\forall n \in \mathbb{N}, m \leq u_n \leq M

Donc (un)(u_n) est bornée.

Donc la suite (un)(u_n) est bornée ssi elle est majorée et minorée.

Aloon nN,unMMC\forall n \in \mathbb{N}, \quad u_{n} \leqslant M \leqslant |M| \leqslant C unnmcu_{n} \geq -n \geq -|m| \geq -c dome nN,Unc\forall n \in \mathbb{N},\left|U_{n}\right| \leqslant c

Il existe CR+C \in \mathbb{R}^{+} tel que: nN,UnC\forall n \in \mathbb{N}, \quad\left|U_{n}\right| \leq C nN,CunC\forall n \in \mathbb{N}, \quad -C \leqslant u_{n} \leqslant C

Monotonie! Soit (un)nNRN\left(u_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}} \in \mathbb{R}^{\mathbb{N}}

Suite constante / suite stationnaire:

Suite arithmétique: On dit que (un)nN\left(u_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}} est une suite arithmétique si il existe u0Ru_0 \in \mathbb{R} et rRr \in \mathbb{R} tels que nN,un+1un=r\forall n \in \mathbb{N}, u_{n+1}-u_{n}=r Le réel rr est appelé raison.

Propriété:

Soit (un)nN\left(u_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}} une suite arithmétique de raison rr nN,pN\forall n \in \mathbb{N}, \forall p \in \mathbb{N}

un=up+(np)run=u0+nr\begin{aligned} & u_{n}=u_{p}+(n-p) r \\ & u_{n}=u_{0}+n r \end{aligned}
k=pquk=up+uq2×(qp+1)\sum_{k=p}^{q} u_{k}=\frac{u_{p}+u_{q}}{2} \times (q-p+1)

En effet, pour tout npn \geqslant p,

unup=k=pn1(uk+1uk)u_{n}-u_{p}=\sum_{k=p}^{n-1}\left(u_{k+1}-u_{k}\right)

et donc, soit λ=k=1quk\lambda=\sum_{k=1}^{q} u_{k}, alors k=pquk=k=pquk\sum_{k=p}^{q} u_{k} = \sum_{k=p}^{q} u_{k} Soit S=k=pqukS=\sum_{k=p}^{q} u_{k} 2S=k=pq(uk+uqk+p)2S=\sum_{k=p}^{q}\left(u_{k}+u_{q-k+p}\right) uk+uqk+p=u0+kr+u0+(qk+p)ru_{k}+u_{q-k+p}=u_{0}+k r+u_{0}+(q-k+p) r =u0+pr+u0+qr=u_{0}+p r + u_{0}+q r =up+uq=u_{p}+u_{q}

uk+uqk+p=up+uq2S=k=pq(up+uq)\begin{aligned} & u_{k}+u_{q-k+p}=u_{p}+u_{q} \\ & 2S=\sum_{k=p}^{q}\left(u_{p}+u_{q}\right) \end{aligned}

Suite géométrique: La suite (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} est dite géométrique si il existe qRq \in \mathbb{R} tel que: nN,un+1=qun\forall n \in \mathbb{N}, u_{n+1}=q u_{n} Le réel qq est appelé raison.

Propriété: Soit (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite géométrique de raison q{0,1}q \notin \{0,1\} nN,pN,un=up×qnp\forall n \in \mathbb{N}, \forall p \in \mathbb{N}, u_{n}=u_{p} \times q^{n-p}

k=stuk=usutq1q\sum_{k=s}^{t} u_{k}=\frac{u_{s}-u_{t} q}{1-q}

En effet, si up0u_{p} \neq 0 et un0u_{n} \neq 0 et n>pn > p,

unup=k=pn1uk+1uk=qnp\frac{u_{n}}{u_{p}}=\prod_{k=p}^{n-1} \frac{u_{k+1}}{u_{k}}=q^{n-p}

En particulier, si s1s \geqslant 1,

(1q)S=k=st(ukuk+1)=usut+1=usqut\begin{aligned} (1-q) S & =\sum_{k=s}^{t}\left(u_{k}-u_{k+1}\right) \\ & =u_{s}-u_{t+1} \\ & =u_{s}-q u_{t} \end{aligned}

Suite arithmético-géométrique: On dit que la suite (un)nN\left(u_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}} est arithmético-géométrique si il existe aRa \in \mathbb{R} et bRb \in \mathbb{R} tels que: nN,un+1=aun+b\forall n \in \mathbb{N}, u_{n+1}=a u_{n}+b

On suppose dans la suite que a1a \neq 1 et b0b \neq 0

Pour tout nNn \in \mathbb{N} :

un+1=aun+bl=al+b\begin{gathered} u_{n+1}=a u_{n}+b \\ l=a l+b \end{gathered}

un+1l=a(unl)u_{n+1}-l=a(u_{n}-l) donc on pose Vn=unlV_{n}=u_{n}-l nN,Vn+1=aVn\forall n \in \mathbb{N}, V_{n+1}=a V_{n} donc

vn=v0anunl=(u0l)anun=l+(u0l)an\begin{aligned} & v_{n}=v_{0} a^{n} \\ & u_{n}-l=\left(u_{0}-l\right) a^{n} \\ & u_{n}=l+\left(u_{0}-l\right) a^{n} \end{aligned}

et l=b1al=\frac{b}{1-a}, donc un=b1a+(u0b1a)anu_{n}=\frac{b}{1-a}+\left(u_{0}-\frac{b}{1-a}\right) a^{n}

Application:

{u0=2un+1=3un+2\left\{\begin{array}{l} u_{0}=2 \\ u_{n+1}=3 u_{n}+2 \end{array}\right.

Suite convergente: Soit (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}}, lRl \in \mathbb{R} On dit que la suite (un)(u_n) est convergente vers ll :

(ε>0)(n0N)(nN)(nn0unlε)(\forall \varepsilon > 0)\left(\exists n_{0} \in \mathbb{N}\right)(\forall n \in \mathbb{N})\left(n \geqslant n_{0} \Rightarrow \left|u_{n}-l\right| \leqslant \varepsilon\right)

Exemple:

nN,un=n3n+2l=13\begin{aligned} & \forall n \in \mathbb{N}, u_{n}=\frac{n}{3n+2} \\ & l=\frac{1}{3} \end{aligned}

Soit ε>0\varepsilon > 0 :

un13=n3n+213=3n3n23(3n+2)=23(3n+2)\begin{aligned} u_{n}-\frac{1}{3} & =\frac{n}{3n+2}-\frac{1}{3} \\ & =\frac{3n-3n-2}{3(3n+2)} \\ & =-\frac{2}{3(3n+2)} \end{aligned}
un13εsi23(3n+2)ε13n+23ε23n+223εn29ε23\begin{aligned} \left|u_{n}-\frac{1}{3}\right| \leqslant \varepsilon \quad \text{si} \quad \frac{2}{3(3n+2)} & \leqslant \varepsilon \\ \Rightarrow \frac{1}{3n+2} & \leqslant \frac{3\varepsilon}{2} \\ \Rightarrow 3n+2 & \geqslant \frac{2}{3\varepsilon} \\ \Rightarrow n & \geqslant \frac{2}{9\varepsilon}-\frac{2}{3} \end{aligned}

Posons n0=(29ε23)+1n_{0}=\left(\frac{2}{9\varepsilon}-\frac{2}{3}\right)+1 Alors: nn0,un13ε\forall n \geqslant n_{0}, \quad \left|u_{n}-\frac{1}{3}\right| \leqslant \varepsilon