Suites – Contrôle continu 1ère – 2020 – Sujet zéro
En traversant une plaque de verre teintée, un rayon lumineux perd 20 % de son intensité lumineuse. L'intensité lumineuse est exprimée en candela ( cd ).
On utilise une lampe torche qui émet un rayon d'intensité lumineuse réglée à 400 cd.
On superpose $ n $ plaques de verre identiques ( $ n $ étant un entier naturel ) et on désire mesurer l'intensité lumineuse $ I_{ n } $ du rayon à la sortie de la $ n $-ième plaque.
On note $ I_{ 0 }=400 $ l'intensité lumineuse du rayon émis par la lampe torche avant de traverser les plaques ( intensité lumineuse initiale ). Ainsi, cette situation est modélisée par la suite $ ( I_{ n } ). $
- Montrer par un calcul que $ I_{ 1 }=320. $
- Pour tout entier naturel $ n $ , exprimer $ I_{ n+1 } $ en fonction de $ I_{ n }. $
- En déduire la nature de la suite $ ( I_{ n } ). $ Préciser sa raison et son premier terme.
- Pour tout entier naturel $ n $ , exprimer $ I_{ n } $ en fonction de $ n. $
On souhaite déterminer le nombre minimal $ n $ de plaques à superposer afin que le rayon initial ait perdu au moins 70 % de son intensité lumineuse initiale après sa traversée des plaques.
Afin de déterminer le nombre de plaques à superposer, on considère la fonction Python suivante :
def nombrePlaques(J):
I=400
n=0
while I > J:
I = 0.8*I
n = n+1
return n
- Préciser, en justifiant, le nombre J de sorte que l'appel nombrePlaques(J) renvoie le nombre de plaques à superposer.
Le tableau suivant donne des valeurs de $ I_{ n }. $ Combien de plaques doit-on superposer ?
| $ n $ |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
| $ I_{ n } $ |
400 |
320 |
256 |
204,8 |
163,84 |
131,07 |
104,85 |
83,886 |
- Le coefficient multiplicateur correspondant à une baisse de 20 % est :
$ CM=1 - \dfrac{20}{100}=0,8 $
L'intensité lumineuse $ I_{ 1 } $ à la sortie de la première plaque est donc :
$ I_{ 1 }=0,8 \times I_{ 0 }=0,8 \times 400=320 $
Remarque :On aurait également pu calculer la diminution de l'intensité lumineuse qui est égale à $ \dfrac{20}{100} \times 400=80 $, puis la nouvelle intensité $ I_{ 1 }=400 - 80=320 $ . Mais il est préférable de s'habituer à utiliser le coefficient multiplicateur qui facilite les calculs lors d'augmentation ou de diminution en pourcentage.
- De même, le raisonnement précédent indique que, pour tout entier naturel $ n $ :
$ I_{ n+1 }=0,8 \times I_{ n }. $
- La formule précédente prouve que la suite $ ( I_{ n } ) $ est une suite géométrique de raison $ q=0,8 $ ; son premier terme est $ I_{ 0 }=400. $
D'après le cours, le n-ième terme d'une suite géométrique de premier terme $ u_{ 0 } $ et de raison $ q $ est donné par la formule :
$ u_{ n }=u_{ 0 } \times q{}^{ n } $
On obtient ici :
$ I_{ n }=I_{ 0 } \times q{}^{ n }=400 \times 0,8{}^{ n } $
- L'appel à la fonction Python nombrePlaques( ) avec l'argument J renvoie le nombre minimal de plaques à superposer afin que l'intensité lumineuse du rayon à la sortie de la n-ième plaque soit inférieure ou égale à J.
Puisque l'on veut que le rayon initial perde au moins 70 % de son intensité lumineuse, il faut que l'intensité lumineuse à la sortie de la n-ième plaque soit inférieure à 30 % de $ I_{ 0 } $ c'est-à-dire inférieure à $ \dfrac{ 30 }{ 100 } \times 400=120. $
Il faut donc choisir le nombre J = 120, pour obtenir, en sortie de la fonction nombrePlaques( ), le nombre de plaques à superposer.
- Le tableau montre qu'il faut choisir 6 plaques pour obtenir une intensité lumineuse inférieure ou égale à 120 cd.
Utilisation d’une suite annexe
On considère la suite $ \left(u_{n}\right) $ définie par :
$ u_{0}=1 $ et pour tout entier $ n $ , $ u_{n+1}= \dfrac{1}{2} u_{n} - 1 $.
- Calculer $ u_{1} $ et $ u_{2} $. La suite $ \left(u_{n}\right) $ est-elle arithmétique ? géométrique ?
On pose $ v_{n}=u_{n}+2 $.
- Exprimer $ v_{n+1} $ en fonction de $ v_{n} $. Quelle est la nature de la suite $ \left(v_{n}\right) $ ?
- Exprimer $ v_{n} $ en fonction de $ n $.
- En déduire $ u_{n} $ en fonction de $ n $.
- Calculons les premiers termes à l'aide de la relation de récurrence :
$ u_{1}=\dfrac{1}{2}u_{0} - 1= - \dfrac{1}{2} $
$ u_{2}=\dfrac{1}{2}u_{1} - 1= - \dfrac{5}{4} $
La suite n'est ni arithmétique ni géométrique.
- $ v_{n+1}=u_{n+1}+2 $ (définition de la suite $ v_{n} $)
$ v_{n+1}=\dfrac{1}{2}u_{n} - 1+2=\dfrac{1}{2}u_{n}+1 $ (car $ u_{n+1}= \dfrac{1}{2} u_{n} - 1 $)
$ v_{n+1}=\dfrac{1}{2}\left(u_{n}+2\right)=\dfrac{1}{2}v_{n} $
$ \left(v_{n}\right) $ est une suite géométrique de raison $ \dfrac{1}{2} $.
Son premier terme est $ v_{0}=u_{0}+2=3 $.
- $ v_{n}=v_{0}\times \left(\dfrac{1}{2}\right)^{n} $ = $\mathbf{3\times \left(\dfrac{1}{2}\right)^{n}}$
- $ u_{n}=v_{n} - 2 $ = $\mathbf{3\times \left(\dfrac{1}{2}\right)^{n} - 2}$
Intérêts composés
Un capital $ C_{0} $ de $ 500 $€ est placé à intérêts composés au taux de $ 4\% $ par an (cela signifie que chaque année le capital augmente de $ 4\% $ par rapport à l'année précédente)
On note $ C_{n} $ le capital obtenu après $ n $ années.
- Calculer $ C_{1} $ et $ C_{2} $
- Calculer $ C_{n+1} $ en fonction de $ C_{n} $. Quelle est la nature de la suite $ \left(C_{n}\right) $?
- Exprimer $ C_{n} $ en fonction de $ n $.
- Quel est le capital obtenu au bout de 5 ans ?
- Le coefficient multiplicateur correspondant au taux de $ 4\% $ est
$ CM=1+\dfrac{4}{100}=1{,}04 $
On a donc :
$ C_{1}=1,04\times C_{0}=1{,}04\times 500=520 $
$ C_{2}=1,04\times C_{1}=1{,}04\times 520=540{,}8 $
- $ C_{n+1}=1{,}04\times C_{n} $
$ C_{n} $ est une suite géométrique de premier terme $ C_{0}=500 $ et de raison $ 1{,}04 $.
- On applique la formule donnant le $ n $-ième terme d'une suite géométrique.
$ C_{n}=C_{0}\times q^{n}=500\times 1{,}04^{n} $
- $ C_{5}=500\times 1{,}04^{5}\approx 608{,}33 $
Le capital obtenu au bout de 5 ans est de $ 608{,}33 $ euros.
[Bac] Intérêts composés
(D'après bac ES/L Pondichéry 2013)
Le 1er janvier 2000, un client a placé 3000 euros à intérêts composés au taux annuel de 2,5%.
On note $ C_{n} $ le capital du client au 1er janvier de l'année $ 2000+n $, où $ n $ est un entier naturel.
- Calculer $ C_{1} $ et $ C_{2} $. Arrondir les résultats au centime d'euro.
- Exprimer $ C_{n+1} $ en fonction de $ C_{n} $. En déduire que, pour tout nombre entier naturel $ n $, on a la relation :
$ C_{n}=3000 \times 1{,}025^{n}. $
On donne l'algorithme suivant :
| Entrée |
Saisir un nombre $ S $ supérieur à 3000 |
| Traitement |
Affecter à $ n $ la valeur $ 0 $. |
| |
Affecter à $ U $ la valeur 3000 |
| |
Tant que $ U\leqslant S $ |
| |
$ \quad \quad n $ prend la valeur $ n+1 $ |
| |
$ \quad \quad U $ prend la valeur $ U \times 1{,}025 $ |
| |
Fin tant que |
| Sortie |
Afficher le nombre $ 2000+n $ |
Pour la valeur $ S=3300 $ saisie, recopier et compléter autant que nécessaire le tableau suivant (les résultats seront arrondis à l'unité) :
| Valeur de $ n $ |
$ 0 $ |
$ 1 $ |
$ 2 $ |
$ 3 $ |
$ 4 $ |
| Valeur de $ U $ |
$ 3000 $ |
$ \dots $ |
$ \dots $ |
$ \dots $ |
$ \dots $ |
| Condition $ U\leqslant S $ |
$ \dots $ |
$ \dots $ |
$ \dots $ |
$ \dots $ |
$ \dots $ |
- En déduire l'affichage obtenu quand la valeur de $ S $ saisie est 3300.
- Dans le contexte de cet exercice, expliquer comment interpréter le nombre obtenu en sortie de cet algorithme quand on saisit un nombre $ S $ supérieur à 3000.
- Au 1er janvier 2013, le client avait besoin d'une somme de 5000 euros. Montrer que le capital de son placement n'est pas suffisant à cette date.
- $ C_{1}=\left(1+\dfrac{t}{100}\right)\times C_{0}=1{,}025\times 3000=3075 $
$ C_{2}=1{,}025\times C_{1}=1{,}025\times 3075=3151{,}88 $ à $ 0,01 $ près.
- Pour tout entier naturel $ n $ :
$ C_{n+1}=1{,}025\times C_{n} $
La suite $ \left(C_{n}\right) $ est une suite géométrique de premier terme $ C_{0}=3000 $ et de raison $ q=1{,}025 $.
$ C_{n}=C_{0}\times q^{n}=3000\times 1{,}025^{n} $
On complète le tableau en calculant $ U $ de proche en proche avec $ U \leftarrow U \times 1{,}025 $, et en testant la condition $ U\leqslant 3300 $ à chaque étape :
| Valeur de $ n $ |
$ 0 $ |
$ 1 $ |
$ 2 $ |
$ 3 $ |
$ 4 $ |
| Valeur de $ U $ |
$ 3000 $ |
$ 3075 $ |
$ 3151{,}88 $ |
$ 3230{,}67 $ |
$ 3311{,}44 $ |
| Condition $ U\leqslant 3300 $ |
vrai |
vrai |
vrai |
vrai |
faux |
- La boucle s'arrête pour $ n=4 $ et le programme se termine après avoir affiché la valeur $\mathbf{2004}$.
- L'algorithme affiche la première année au cours de laquelle le capital devient strictement supérieur à $ S $.
- Le capital au 1er janvier 2013, correspond à $ C_{13} $.
$ C_{13}=3000\times 1{,}025^{13}\approx 4135{,}53 $
Le capital au 1er janvier 2013 est donc d'environ $ 4135{,}53 $ euros, ce qui est inférieur à $ 5000 $ euros : le capital n'est pas suffisant.
Suite arithmétique ou géométrique ?
Pour chacune des suites suivantes (définies sur $ \mathbb{N} $), déterminer s'il s'agit d'une suite arithmétique, géométrique ou ni arithmétique ni géométrique.
Le cas échéant, préciser la raison.
- $ u_{n}=5+3n $
- $ \left\{ \begin{matrix} u_{0}=1 \\ u_{n+1} = u_{n}+n\end{matrix}\right. $
- $ u_{n}=2^{n} $
- $ u_{n}=n^{2} $
- $ \left\{ \begin{matrix} u_{0}=3 \\ u_{n+1} = \dfrac{u_{n}}{2}\end{matrix}\right. $
- $ u_{n}=\left(n+1\right)^{2} - n^{2} $
- $ \left\{ \begin{matrix} u_{0}= - 1 \\ u_{n+1}=3u_{n}+1 \end{matrix}\right. $
Pour chaque suite, on analyse la différence $ u_{n+1}-u_{n} $ (pour une éventuelle suite arithmétique) ou le quotient $ \dfrac{u_{n+1}}{u_{n}} $ (pour une éventuelle suite géométrique).
- arithmétique de raison $ 3 $
- ni arithmétique ni géométrique
- géométrique de raison $ 2 $
- ni arithmétique ni géométrique
- géométrique de raison $ \dfrac{1}{2} $
- On développe : $ u_{n}=\left(n+1\right)^{2} - n^{2}=2n+1 $. La suite est donc de la forme $ u_{n}=2n+1 $ ; c'est une suite arithmétique de raison $ 2 $ et de premier terme $ u_{0}=1 $.
- ni arithmétique ni géométrique