Suites – Bac S Centres étrangers 2013
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Exercices
L'objet de cet exercice est l'étude de la suite $(u_n)$ définie par son premier terme $u_1 = \dfrac{3}{2}$ et la relation de récurrence : $u_{n+1} = \dfrac{n u_n + 1}{2(n+1)}$.
Partie A - Algorithmique et conjectures
Pour calculer et afficher le terme $u_9$ de la suite, un élève propose l'algorithme ci-dessous. Il a oublié de compléter deux lignes.
| Variables | $n$ est un entier naturel |
| $u$ est un réel | |
| Initialisation | Affecter à $n$ la valeur $1$ |
| Affecter à $u$ la valeur $1{,}5$ | |
| Traitement | Tant que $n < 9$ |
| $\quad$ Affecter à $u$ la valeur ... | |
| $\quad$ Affecter à $n$ la valeur ... | |
| Fin Tant que | |
| Sortie | Afficher la variable $u$ |
- Recopier et compléter les deux lignes de l'algorithme où figurent des points de suspension.
- Comment faudrait-il modifier cet algorithme pour qu'il calcule et affiche tous les termes de la suite de $u_2$ jusqu'à $u_9$ ?
Avec cet algorithme modifié, on a obtenu les résultats suivants, arrondis au dix-millième :
$n$ $1$ $2$ $3$ $4$ $5$ $6$ ... $99$ $100$ $u_n$ $1{,}5$ $0{,}625$ $0{,}375$ $0{,}2656$ $0{,}2063$ $0{,}1693$ ... $0{,}0102$ $0{,}0101$ Au vu de ces résultats, conjecturer le sens de variation et la convergence de la suite $(u_n)$.
Partie B - Étude mathématique
On définit une suite auxiliaire $(v_n)$ par : pour tout entier $n \geqslant 1$, $v_n = n u_n - 1$.
- Montrer que la suite $(v_n)$ est géométrique ; préciser sa raison et son premier terme.
- En déduire que, pour tout entier naturel $n \geqslant 1$, on a : $u_n = \dfrac{1 + (0{,}5)^n}{n}$.
- Déterminer la limite de la suite $(u_n)$.
- Justifier que, pour tout entier $n \geqslant 1$, on a : $u_{n+1} - u_n = -\dfrac{1 + (1 + 0{,}5 n)(0{,}5)^n}{n(n+1)}$.
En déduire le sens de variation de la suite $(u_n)$.
Partie C - Retour à l'algorithmique
En s'inspirant de la partie A, écrire un algorithme permettant de déterminer et d'afficher le plus petit entier $n$ tel que $u_n < 0{,}001$.
Corrigé
Partie A - Algorithmique et conjectures
Les deux lignes complétées :
Variables $n$ est un entier naturel $u$ est un réel Initialisation Affecter à $n$ la valeur $1$ Affecter à $u$ la valeur $1{,}5$ Traitement Tant que $n < 9$ $\quad$ Affecter à $u$ la valeur $\mathbf{(n u + 1) / (2(n + 1))}$ $\quad$ Affecter à $n$ la valeur $\mathbf{n + 1}$ Fin Tant que Sortie Afficher la variable $u$ Pour afficher tous les termes de $u_2$ jusqu'à $u_9$, il faut ajouter une instruction d'affichage à l'intérieur de la boucle, après la mise à jour de $u$ :
Variables $n$ est un entier naturel $u$ est un réel Initialisation Affecter à $n$ la valeur $1$ Affecter à $u$ la valeur $1{,}5$ Traitement Tant que $n < 9$ $\quad$ Affecter à $u$ la valeur $(n u + 1) / (2(n + 1))$ $\quad$ Afficher la variable $u$ $\quad$ Affecter à $n$ la valeur $n + 1$ Fin Tant que - Au vu de ces résultats, on conjecture que la suite $(u_n)$ est décroissante et qu'elle converge vers une limite $\ell$ telle que $0 \leqslant \ell < 0{,}0101$.
Partie B - Étude mathématique
- On calcule $v_{n+1}$ en fonction de $v_n$. Pour tout $n \geqslant 1$ :
$v_{n+1} = (n+1) u_{n+1} - 1 = (n+1) \times \dfrac{n u_n + 1}{2(n+1)} - 1 = \dfrac{n u_n + 1}{2} - 1 = \dfrac{n u_n - 1}{2} = \dfrac{v_n}{2}$
Ainsi, pour tout $n \geqslant 1$, $v_{n+1} = \dfrac{1}{2} v_n$.
Le premier terme est $v_1 = 1 \times u_1 - 1 = \dfrac{3}{2} - 1 = \dfrac{1}{2}$.
La suite $(v_n)$ est donc géométrique de raison $\dfrac{1}{2}$ et de premier terme $v_1 = \dfrac{1}{2}$. D'après ce qui précède, pour tout entier $n \geqslant 1$ :
$v_n = v_1 \times \left(\dfrac{1}{2}\right)^{n-1} = \dfrac{1}{2} \times \left(\dfrac{1}{2}\right)^{n-1} = \left(\dfrac{1}{2}\right)^n = (0{,}5)^n$
Or $v_n = n u_n - 1$, donc $n u_n = 1 + v_n = 1 + (0{,}5)^n$.
On en déduit que :$u_n = \dfrac{1 + (0{,}5)^n}{n}$Comme $|0{,}5| < 1$, on a $\lim\limits_{n \to +\infty} (0{,}5)^n = 0$.
Le numérateur tend vers $1$ et le dénominateur vers $+\infty$.
On en déduit que :$\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 0$- Pour tout entier $n \geqslant 1$ :
$u_{n+1} - u_n = \dfrac{1 + (0{,}5)^{n+1}}{n+1} - \dfrac{1 + (0{,}5)^n}{n}$
$u_{n+1} - u_n = \dfrac{n \left(1 + 0{,}5 \times (0{,}5)^n\right) - (n+1) \left(1 + (0{,}5)^n\right)}{n(n+1)}$
$u_{n+1} - u_n = \dfrac{n + 0{,}5 n (0{,}5)^n - (n+1) - (n+1)(0{,}5)^n}{n(n+1)}$
$u_{n+1} - u_n = \dfrac{-1 + \left(0{,}5 n - (n+1)\right)(0{,}5)^n}{n(n+1)}$
$u_{n+1} - u_n = \dfrac{-1 - (1 + 0{,}5 n)(0{,}5)^n}{n(n+1)} = -\dfrac{1 + (1 + 0{,}5 n)(0{,}5)^n}{n(n+1)}$
Puisque $n \geqslant 1$, on a $1 + (1 + 0{,}5 n)(0{,}5)^n > 0$ et $n(n+1) > 0$.
Donc $u_{n+1} - u_n < 0$ : la suite $(u_n)$ est strictement décroissante.
Partie C - Retour à l'algorithmique
L'algorithme suivant détermine et affiche le plus petit entier $n$ tel que $u_n < 0{,}001$ :
| Variables | $n$ est un entier naturel |
| $u$ est un réel | |
| Initialisation | Affecter à $n$ la valeur $1$ |
| Affecter à $u$ la valeur $1{,}5$ | |
| Traitement | Tant que $u \geqslant 0{,}001$ |
| $\quad$ Affecter à $u$ la valeur $(n u + 1) / (2(n + 1))$ | |
| $\quad$ Affecter à $n$ la valeur $n + 1$ | |
| Fin Tant que | |
| Sortie | Afficher la variable $n$ |