🔢Suites : limites et convergence

Cours de mathématiques · Terminale

Limite finie ou infinie d'une suite, opérations sur les limites, théorème de comparaison et théorème des gendarmes, limite de la suite géométrique qnq^n, suites monotones et bornées, convergence.

Ce que tu vas savoir faire

  • Définir et reconnaître une suite convergente (limite finie) ou divergente (limite infinie ou pas de limite).
  • Calculer une limite à l'aide des opérations sur les limites.
  • Utiliser le théorème de comparaison et le théorème des gendarmes.
  • Déterminer la limite d'une suite géométrique qnq^n selon la valeur de qq.
  • Relier monotonie, bornes et convergence (théorème de la limite monotone).

Limite finie : suite convergente

Règle

Soit (un)(u_n) une suite réelle et \ell un réel. On dit que (un)(u_n) converge vers \ell, et on écrit limn+un=\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = \ell, lorsque tout intervalle ouvert contenant \ell contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang.

Autrement dit : aussi petit qu'on choisisse un intervalle ]ε;+ε[\,]\ell - \varepsilon\,;\,\ell + \varepsilon[\, autour de \ell, il existe un rang NN tel que pour tout nNn \geq N, on a un]ε;+ε[u_n \in\,]\ell - \varepsilon\,;\,\ell + \varepsilon[.

Une suite qui converge est dite convergente ; sa limite est alors unique. Exemple fondamental : limn+1n=0\lim\limits_{n \to +\infty} \dfrac{1}{n} = 0, et plus généralement limn+1nk=0\lim\limits_{n \to +\infty} \dfrac{1}{n^k} = 0 pour tout entier k1k \geq 1.

Méthode

Pour montrer (ou deviner) qu'une suite converge vers \ell :

  1. Calcule plusieurs termes pour conjecturer la valeur de \ell.
  2. Étudie le comportement de unu_n - \ell : il doit se rapprocher de 00.
  3. Le plus souvent, on conclut grâce aux opérations sur les limites ou aux théorèmes de comparaison (sections suivantes).
Exemple

Soit un=2+1nu_n = 2 + \dfrac{1}{n} pour n1n \geq 1.

Quand nn devient très grand, 1n\dfrac{1}{n} devient très proche de 00, donc unu_n devient très proche de 22. Précisément un2=1n0u_n - 2 = \dfrac{1}{n} \to 0.

Donc limn+un=2\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 2 : la suite converge vers 22.

Astuce

« Converger » veut dire avoir une limite finie. Une suite qui tend vers ++\infty ne converge pas : elle diverge.

Limite infinie : suite divergente

Règle

On dit que (un)(u_n) tend vers ++\infty, et on écrit limn+un=+\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = +\infty, lorsque tout intervalle ]A;+[\,]A\,;\,+\infty[\, contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang : aussi grand que soit AA, il existe un rang NN tel que un>Au_n > A pour tout nNn \geq N.

De même, limn+un=\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = -\infty signifie que pour tout réel AA, on a un<Au_n < A à partir d'un certain rang.

Une suite qui tend vers ++\infty ou -\infty est divergente. Attention : une suite peut aussi diverger sans avoir de limite (par exemple un=(1)nu_n = (-1)^n, qui oscille entre 1-1 et 11).

Limites de référence : limn+n=+\lim\limits_{n \to +\infty} n = +\infty, limn+n2=+\lim\limits_{n \to +\infty} n^2 = +\infty et limn+n=+\lim\limits_{n \to +\infty} \sqrt{n} = +\infty.

Méthode

Pour montrer que un+u_n \to +\infty :

  1. Vérifie que les termes deviennent arbitrairement grands.
  2. Souvent, on minore unu_n par une suite plus simple qui tend vers ++\infty (théorème de comparaison).
  3. Conclus.
Exemple

Soit un=n25nu_n = n^2 - 5n. On factorise : un=n2(15n)u_n = n^2\Big(1 - \dfrac{5}{n}\Big).

Quand n+n \to +\infty, 5n0\dfrac{5}{n} \to 0 donc le facteur 15n11 - \dfrac{5}{n} \to 1, et n2+n^2 \to +\infty.

Par produit, limn+un=+\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = +\infty : la suite diverge vers ++\infty.

Astuce

Ne confonds pas « diverger » et « ne pas avoir de limite » : une suite divergente peut très bien avoir pour limite ++\infty ou -\infty. La suite (1)n(-1)^n, elle, n'a aucune limite.

Opérations sur les limites

Règle

On peut combiner des limites comme pour les fonctions, à condition d'éviter les formes indéterminées.

Somme : si unu_n \to \ell et vnv_n \to \ell' (finis ou infinis), alors un+vn+u_n + v_n \to \ell + \ell', sauf le cas indéterminé (+)+()(+\infty) + (-\infty).

Produit : unvn×u_n v_n \to \ell \times \ell', sauf la forme indéterminée 0×0 \times \infty.

Quotient : unvn\dfrac{u_n}{v_n} \to \dfrac{\ell}{\ell'} si 0\ell' \neq 0, avec les formes indéterminées \dfrac{\infty}{\infty} et 00\dfrac{0}{0}.

Les quatre formes indéterminées (notées « FI ») sont :

,0×,,00.\infty - \infty, \qquad 0 \times \infty, \qquad \dfrac{\infty}{\infty}, \qquad \dfrac{0}{0}.

Face à une FI, il faut transformer l'écriture (factoriser, simplifier) pour lever l'indétermination.

Méthode

Devant une FI du type quotient de polynômes :

  1. Factorise le numérateur et le dénominateur par leur terme de plus haut degré (la plus grande puissance de nn).
  2. Simplifie la fraction.
  3. Les termes en 1nk\dfrac{1}{n^k} tendent vers 00 : applique alors les opérations sur les limites.
Exemple

Soit un=3n2+1n2+nu_n = \dfrac{3n^2 + 1}{n^2 + n}. C'est une FI \dfrac{\infty}{\infty}.

On factorise par n2n^2 en haut et en bas :

un=n2(3+1n2)n2(1+1n)=3+1n21+1n.u_n = \dfrac{n^2\Big(3 + \dfrac{1}{n^2}\Big)}{n^2\Big(1 + \dfrac{1}{n}\Big)} = \dfrac{3 + \dfrac{1}{n^2}}{1 + \dfrac{1}{n}}.

Quand n+n \to +\infty : 1n20\dfrac{1}{n^2} \to 0 et 1n0\dfrac{1}{n} \to 0, donc le numérateur 3\to 3 et le dénominateur 1\to 1.

Conclusion : limn+un=31=3\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = \dfrac{3}{1} = 3.

Astuce

Pour un quotient de polynômes, la limite ne dépend que des termes de plus haut degré : ici 3n2n2=3\dfrac{3n^2}{n^2} = 3. C'est une vérification rapide.

Comparaison et théorème des gendarmes

Règle

Théorème de comparaison. Soit (un)(u_n) et (vn)(v_n) deux suites telles que unvnu_n \leq v_n à partir d'un certain rang.

• Si limn+un=+\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = +\infty, alors limn+vn=+\lim\limits_{n \to +\infty} v_n = +\infty.

• Si limn+vn=\lim\limits_{n \to +\infty} v_n = -\infty, alors limn+un=\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = -\infty.

(La grande pousse la moyenne vers le haut ; la petite tire la plus grande vers le bas.)

Théorème des gendarmes. Si unwnvnu_n \leq w_n \leq v_n à partir d'un certain rang et si (un)(u_n) et (vn)(v_n) convergent vers la même limite \ell (finie), alors (wn)(w_n) converge aussi et :

limn+wn=.\lim\limits_{n \to +\infty} w_n = \ell.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Imagine \ell pris en sandwich. Fixe un petit intervalle ]ε;+ε[\,]\ell - \varepsilon\,;\,\ell + \varepsilon[\, : puisque unu_n \to \ell, tous les unu_n y entrent à partir d'un rang N1N_1 ; de même tous les vnv_n y entrent à partir d'un rang N2N_2. À partir du plus grand des deux rangs, wnw_n est coincé entre unu_n et vnv_n, donc lui aussi est piégé dans ]ε;+ε[\,]\ell - \varepsilon\,;\,\ell + \varepsilon[. Comme cela vaut pour un ε\varepsilon aussi petit qu'on veut, wnw_n ne peut tendre que vers \ell. Les deux gendarmes resserrent leur étau : le suspect n'a aucune échappatoire.

Méthode

Pour appliquer le théorème des gendarmes à (wn)(w_n) :

  1. Encadre wnw_n : trouve unwnvnu_n \leq w_n \leq v_n (souvent grâce à 1cos,sin1-1 \leq \cos, \sin \leq 1).
  2. Vérifie que unu_n et vnv_n ont la même limite finie \ell.
  3. Conclus : wnw_n \to \ell.
Exemple

Soit wn=sinnnw_n = \dfrac{\sin n}{n} pour n1n \geq 1.

Comme 1sinn1-1 \leq \sin n \leq 1, on divise par n>0n > 0 :

1nsinnn1n.-\dfrac{1}{n} \leq \dfrac{\sin n}{n} \leq \dfrac{1}{n}.

Or 1n0-\dfrac{1}{n} \to 0 et 1n0\dfrac{1}{n} \to 0. Les deux gendarmes ont la même limite 00, donc

limn+sinnn=0.\lim\limits_{n \to +\infty} \dfrac{\sin n}{n} = 0.

Astuce

Réflexe « gendarmes » dès que tu vois cosn\cos n ou sinn\sin n : tu les encadres par 1-1 et 11, puis tu coinces la suite entre deux suites qui tendent vers la même limite.

Suite géométrique $q^n$

Règle

Soit qq un réel. Le comportement de la suite (qn)(q^n) dépend uniquement de la valeur de qq :

• Si q>1q > 1 : limn+qn=+\lim\limits_{n \to +\infty} q^n = +\infty.

• Si q=1q = 1 : qn=1q^n = 1 pour tout nn, donc limn+qn=1\lim\limits_{n \to +\infty} q^n = 1.

• Si 1<q<1-1 < q < 1 : limn+qn=0\lim\limits_{n \to +\infty} q^n = 0 (en particulier pour 0<q<10 < q < 1).

• Si q1q \leq -1 : la suite (qn)(q^n) n'a pas de limite (elle oscille, par exemple q=1q = -1 donne 1,1,1,1,1, -1, 1, -1,\dots).

Ce résultat repose sur l'inégalité de Bernoulli : pour a>0a > 0, (1+a)n1+na(1 + a)^n \geq 1 + na, ce qui prouve que qn+q^n \to +\infty dès que q>1q > 1.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Pourquoi qn+q^n \to +\infty dès que q>1q > 1 ? Écrivons q=1+aq = 1 + a avec a>0a > 0. On peut prouver l'inégalité de Bernoulli (1+a)n1+na(1+a)^n \geq 1 + na par récurrence : c'est vrai au rang 00, et si (1+a)n1+na(1+a)^n \geq 1 + na, alors en multipliant par 1+a>01+a > 0 on obtient (1+a)n+1(1+na)(1+a)=1+(n+1)a+na21+(n+1)a(1+a)^{n+1} \geq (1+na)(1+a) = 1 + (n+1)a + na^2 \geq 1 + (n+1)a. Donc qn1+naq^n \geq 1 + na, et comme 1+na+1 + na \to +\infty, le théorème de comparaison force qn+q^n \to +\infty. Multiplier sans cesse par un nombre >1>1 ajoute au moins aa à chaque cran : la suite finit forcément par crever le plafond.

Méthode

Pour donner la limite d'une suite contenant qnq^n :

  1. Identifie la raison qq.
  2. Compare qq à 1-1 et à 11 pour situer le cas.
  3. Applique le résultat ; combine ensuite avec les opérations sur les limites si la suite est plus complexe.
Exemple

Soit un=(12)nu_n = \left(\dfrac{1}{2}\right)^n. Ici q=12q = \dfrac{1}{2} et 1<12<1-1 < \dfrac{1}{2} < 1, donc limn+un=0\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 0.

Soit vn=5×3nv_n = 5 \times 3^n. Ici q=3>1q = 3 > 1 donc 3n+3^n \to +\infty, et par produit par 5>05 > 0 : limn+vn=+\lim\limits_{n \to +\infty} v_n = +\infty.

Astuce

Retiens l'image : avec 1<q<1-1 < q < 1 on multiplie sans cesse par un nombre de valeur absolue <1< 1, donc on « rétrécit » vers 00. Avec q>1q > 1, on grossit vers ++\infty.

Monotonie, bornes et convergence

Règle

Une suite (un)(u_n) est :

majorée s'il existe un réel MM tel que unMu_n \leq M pour tout nn ; • minorée s'il existe un réel mm tel que unmu_n \geq m pour tout nn ; • bornée si elle est à la fois majorée et minorée.

Théorème de la limite monotone (admis).

• Toute suite croissante et majorée converge (vers une limite finie M\ell \leq M). • Toute suite décroissante et minorée converge. • Toute suite croissante non majorée tend vers ++\infty. • Toute suite décroissante non minorée tend vers -\infty.

Attention : une suite croissante et majorée converge, mais sa limite n'est pas forcément le majorant MM.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Pourquoi une suite croissante et majorée converge-t-elle forcément ? Imagine une suite qui monte sans jamais redescendre, mais coiffée par un plafond MM. Elle ne peut pas filer vers ++\infty (le plafond l'interdit) et ne peut pas redescendre (elle est croissante) : ses termes, toujours plus hauts mais bornés, se tassent contre une « altitude limite » sans pouvoir la dépasser. Cette altitude est le plus petit des plafonds possibles, et c'est exactement la limite \ell (avec M\ell \leq M). C'est cette propriété profonde des réels — il n'y a pas de « trou » sous le plafond — qui fait que le résultat est admis et non démontré au lycée.

Méthode

Pour étudier la convergence par la monotonie :

  1. Détermine le sens de variation (signe de un+1unu_{n+1} - u_n).
  2. Cherche une borne adaptée (un majorant si elle est croissante, un minorant si elle est décroissante).
  3. Conclus avec le théorème de la limite monotone.
Exemple

Soit un=31nu_n = 3 - \dfrac{1}{n} pour n1n \geq 1.

un+1un=(31n+1)(31n)=1n1n+1>0u_{n+1} - u_n = \Big(3 - \dfrac{1}{n+1}\Big) - \Big(3 - \dfrac{1}{n}\Big) = \dfrac{1}{n} - \dfrac{1}{n+1} > 0 : la suite est croissante.

De plus un=31n<3u_n = 3 - \dfrac{1}{n} < 3 : elle est majorée par 33.

Croissante et majorée, elle converge. Ici on voit même directement que limn+un=3\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 3.

Astuce

Bornée n'implique pas convergente : la suite (1)n(-1)^n est bornée (entre 1-1 et 11) mais ne converge pas. Il faut la monotonie en plus de la borne.

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