🔢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 , 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 selon la valeur de .
- ✓Relier monotonie, bornes et convergence (théorème de la limite monotone).
Limite finie : suite convergente
Soit une suite réelle et un réel. On dit que converge vers , et on écrit , lorsque tout intervalle ouvert contenant contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang.
Autrement dit : aussi petit qu'on choisisse un intervalle autour de , il existe un rang tel que pour tout , on a .
Une suite qui converge est dite convergente ; sa limite est alors unique. Exemple fondamental : , et plus généralement pour tout entier .
Pour montrer (ou deviner) qu'une suite converge vers :
- Calcule plusieurs termes pour conjecturer la valeur de .
- Étudie le comportement de : il doit se rapprocher de .
- Le plus souvent, on conclut grâce aux opérations sur les limites ou aux théorèmes de comparaison (sections suivantes).
Soit pour .
Quand devient très grand, devient très proche de , donc devient très proche de . Précisément .
Donc : la suite converge vers .
« Converger » veut dire avoir une limite finie. Une suite qui tend vers ne converge pas : elle diverge.
Limite infinie : suite divergente
On dit que tend vers , et on écrit , lorsque tout intervalle contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang : aussi grand que soit , il existe un rang tel que pour tout .
De même, signifie que pour tout réel , on a à partir d'un certain rang.
Une suite qui tend vers ou est divergente. Attention : une suite peut aussi diverger sans avoir de limite (par exemple , qui oscille entre et ).
Limites de référence : , et .
Pour montrer que :
- Vérifie que les termes deviennent arbitrairement grands.
- Souvent, on minore par une suite plus simple qui tend vers (théorème de comparaison).
- Conclus.
Soit . On factorise : .
Quand , donc le facteur , et .
Par produit, : la suite diverge vers .
Ne confonds pas « diverger » et « ne pas avoir de limite » : une suite divergente peut très bien avoir pour limite ou . La suite , elle, n'a aucune limite.
Opérations sur les limites
On peut combiner des limites comme pour les fonctions, à condition d'éviter les formes indéterminées.
Somme : si et (finis ou infinis), alors , sauf le cas indéterminé .
Produit : , sauf la forme indéterminée .
Quotient : si , avec les formes indéterminées et .
Les quatre formes indéterminées (notées « FI ») sont :
Face à une FI, il faut transformer l'écriture (factoriser, simplifier) pour lever l'indétermination.
Devant une FI du type quotient de polynômes :
- Factorise le numérateur et le dénominateur par leur terme de plus haut degré (la plus grande puissance de ).
- Simplifie la fraction.
- Les termes en tendent vers : applique alors les opérations sur les limites.
Soit . C'est une FI .
On factorise par en haut et en bas :
Quand : et , donc le numérateur et le dénominateur .
Conclusion : .
Pour un quotient de polynômes, la limite ne dépend que des termes de plus haut degré : ici . C'est une vérification rapide.
Comparaison et théorème des gendarmes
Théorème de comparaison. Soit et deux suites telles que à partir d'un certain rang.
• Si , alors .
• Si , alors .
(La grande pousse la moyenne vers le haut ; la petite tire la plus grande vers le bas.)
Théorème des gendarmes. Si à partir d'un certain rang et si et convergent vers la même limite (finie), alors converge aussi et :
⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Imagine pris en sandwich. Fixe un petit intervalle : puisque , tous les y entrent à partir d'un rang ; de même tous les y entrent à partir d'un rang . À partir du plus grand des deux rangs, est coincé entre et , donc lui aussi est piégé dans . Comme cela vaut pour un aussi petit qu'on veut, ne peut tendre que vers . Les deux gendarmes resserrent leur étau : le suspect n'a aucune échappatoire.
Pour appliquer le théorème des gendarmes à :
- Encadre : trouve (souvent grâce à ).
- Vérifie que et ont la même limite finie .
- Conclus : .
Soit pour .
Comme , on divise par :
Or et . Les deux gendarmes ont la même limite , donc
Réflexe « gendarmes » dès que tu vois ou : tu les encadres par et , puis tu coinces la suite entre deux suites qui tendent vers la même limite.
Suite géométrique $q^n$
Soit un réel. Le comportement de la suite dépend uniquement de la valeur de :
• Si : .
• Si : pour tout , donc .
• Si : (en particulier pour ).
• Si : la suite n'a pas de limite (elle oscille, par exemple donne ).
Ce résultat repose sur l'inégalité de Bernoulli : pour , , ce qui prouve que dès que .
⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Pourquoi dès que ? Écrivons avec . On peut prouver l'inégalité de Bernoulli par récurrence : c'est vrai au rang , et si , alors en multipliant par on obtient . Donc , et comme , le théorème de comparaison force . Multiplier sans cesse par un nombre ajoute au moins à chaque cran : la suite finit forcément par crever le plafond.
Pour donner la limite d'une suite contenant :
- Identifie la raison .
- Compare à et à pour situer le cas.
- Applique le résultat ; combine ensuite avec les opérations sur les limites si la suite est plus complexe.
Soit . Ici et , donc .
Soit . Ici donc , et par produit par : .
Retiens l'image : avec on multiplie sans cesse par un nombre de valeur absolue , donc on « rétrécit » vers . Avec , on grossit vers .
Monotonie, bornes et convergence
Une suite est :
• majorée s'il existe un réel tel que pour tout ; • minorée s'il existe un réel tel que pour tout ; • 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 ). • Toute suite décroissante et minorée converge. • Toute suite croissante non majorée tend vers . • Toute suite décroissante non minorée tend vers .
Attention : une suite croissante et majorée converge, mais sa limite n'est pas forcément le majorant .
⭐ 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 . Elle ne peut pas filer vers (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 (avec ). 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.
Pour étudier la convergence par la monotonie :
- Détermine le sens de variation (signe de ).
- Cherche une borne adaptée (un majorant si elle est croissante, un minorant si elle est décroissante).
- Conclus avec le théorème de la limite monotone.
Soit pour .
: la suite est croissante.
De plus : elle est majorée par .
Croissante et majorée, elle converge. Ici on voit même directement que .
Bornée n'implique pas convergente : la suite est bornée (entre et ) mais ne converge pas. Il faut la monotonie en plus de la borne.
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