Cours les suites

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LES SUITES
1. Définition
1.1. Définition
Une suite numérique est une fonction de  dans , définie à partir d'un certain rang n0.
La notation (un) désigne la suite en tant qu'objet mathématique et un désigne l'image de l'entier n (appelé encore
terme d'indice n de la suite (un)), terme que l'on pourrait noter u(n) mais l'usage en a voulu autrement.
Exemples :
· Suite définie en fonction du rang (du type un = ¦(n)) :
un = 1
n, pour n  1
On obtient : u1 = 1 ; u2 =1
2 ; u3 = 1 3 etc ...
· Suite définie en fonction de terme(s) précédent(s) (suite récurrente) :
u
u u u
n n n
0
1
2
1
=
= -
ì
í
î+( )
On obtient : u1 = u0(1 - u0) = -2 ; u2 = -6 ; u3 = -42 etc.
Exercice : déterminer le rang à partir duquel la suite (un) suivante est définie :
un = 3n-
2. Suites arithmétiques
2.1. Définition
Une suite (un) est dite arithmétique lorsqu'on passe de chaque terme au suivant en ajoutant toujours le même
nombre r : un+1 = un + r pour tout indice n
Ce nombre r s'appelle la raison de la suite (un).
M1 : comment vérifier qu'une suite (un) est arithmétique ?
®On calcule, pour tout indice n, la différence de deux termes consécutifs un+1 - un. Si obtient une quantité
constante r, alors la suite est arithmétique de raison r. Si on obtient une quantité variable (dépendante de n),
alors la suite n'est pas arithmétique.
Exemples : les suites suivantes sont elles arithmétiques ?
1) un = 3n - 2.
Pour tout indice n, on a :
un+1 - un = 3(n + 1) - 2 - 3n + 2 = 3n + 3 -2 - 3n + 2 = 3
La suite (un) est arithmétique de raison r = 3.
2) un = n2 + 1.
Pour tout indice n, on a :
un+1 - un = (n + 1)2 + 1 - (n2 + 1) = n2 + 2n + 1 - n2 = 2n + 1.

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Suite non arithmétique.
Notons que cette conclusion est immédiate à la vue des premiers termes (u1 = 2 = u0 + 1, u2 = 5 = u1 + 3)
Remarque : toute suite définie par une relation du type un = an + b est arithmétique de raison a car pour tout n :
un+1 - un = a(n + 1) + b - an - b = a.
Réciproquement, peut-on dire que toute suite arithmétique de raison a peut s'écrire sous la forme un = an + b ?
La réponse est dans ce qui suit.
M2 : comment calculer un terme quelconque d'une suite arithmétique ?
®On utilise l'une des relations suivantes : un = u0 + nr ou un = up + (n - p)r (pour tous entiers p et n)
Exemples : Calculer u26 dans les deux cas suivants :
1) u0 = 6 et r = 5 : u26 = u0 + 26r = 6 + 26´5 = 136
2) u10 = 3 et r = -2 : u26 = u10 + 16r = 3 + 16´(-2) = -29
Exercice : démontrer que toute suite arithmétique (un) peut s'écrire : un = an + b.
En effet, si on note r la raison de la suite, on a, d'après M2 : un = u0 + nr
Il suffit de choisir a = r et b = u0 pour avoir le résultat demandé.
M3 : comment calculer la somme S de N termes consécutifs d'une suite arithmétique ?
®On utilise la relation suivante :
S = NP D( )+
2
où N = nombre de termes de la somme, P = premier terme de la somme et D = dernier terme de la somme.
Exemples : calculer les sommes suivantes :
1) S = 1 + 3 + 5 + 7 + 9 + 11 + ... + 99
Nous avons affaire à la somme de termes d'une suite arithmétique de raison r = 2 et de premier terme u1 = 1.
Mais combien de termes comporte cette somme ?
Notons un = 99 où n désigne le nombre de termes de la somme.
D'après M2, on a : un = u1 + (n - 1)r. C'est-à-dire : 99 = u1 + (n - 1)´2 = 1 + 2(n - 1) = 2n - 1.
D'où n = 50. Il y a donc 50 termes dans cette somme.
Ce qui donne, d'après M3 : S = 501 99)
2
(+= 2500
2) S = 1 + 2 + 3 + 4 + ... + n.
Somme des n termes d'une suite arithmétique de raison r = 1, de premier terme P = 1 et de dernier terme
D = n, d'où : S = nn( )+1
2

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Exercice : en s'inspirant de la méthode de l'exemple 1, démontrer que le nombre de termes N d'une somme S de
termes consécutifs d'une suite arithmétique de raison r, de premier terme P, et dernier terme D, est donné par la
formule : N = D P
r
-+ 1
En déduire que, dans la somme up + ... + uq (où p  q), il y a N = q - p + 1 termes.
Quelques démonstrations :
M1 : évident, les relations un+1 - un = r et un+1 = un + r sont équivalentes.
M2 : soit (un) une suite arithmétique de raison r.
On considère la propriété Ã(n) définie pour n Î  par :
Ã(n) : un = u0 + nr
Si n = 0, la propriété est clairement vérifiée donc Ã(0) est vraie.
Montrons que pour tout n Î  : Ã(n) Þ Ã(n + 1)
Supposons donc, que l'on ait Ã(n), c'est-à-dire :
un = u0 + nr
D'après la définition d'une suite arithmétique, on a :
un+1 = un + r
Mais comme on a supposé Ã(n), cela donne :
un+1 = u0 + nr + r = u0 + (n+1)r
On obtient la relation de récurrence au rang n + 1, à savoir Ã(n + 1).
On a donc bien, pour tout n Î  : Ã(n) Þ Ã(n + 1)
Résumons : si la propriété est vraie à un certain rang, elle est vraie au rang suivant. Comme elle est vraie au
rang 0, elle est donc vraie à tout rang.
En conclusion, pour tout n Î , on a : un = u0 + nr
En remplaçant n par p, on obtient également :
up = u0 + pr
Et par différence des deux dernières relations :
un - up = (n - p)r
D'où : un = up + (n - p)r
M3 : soit à calculer :
S = P + (P + r) + ... + (D - r) + D
(somme comprenant N termes)
Cette somme S peut encore s'écrire :
S = D + (D - r) + ... + (P + r) + P
(on a changé l'ordre des termes)
Si bien que, en additionnant :
2S = (P + D) + (P + D) + ... + (P + D) + (P + D)
(somme comprenant toujours N termes égaux !)
D'où : 2S = N(P +D)
S = NP D( )+
2
Le raisonnement ci-contre
est appelé raisonnement "par
récurrence"

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3. Suites géométriques (de raison strictement positive)
3.1. Définition
Une suite (un) est dite géométrique lorsqu'on passe de chaque terme au suivant en multipliant toujours par le
même nombre q : un+1 = q un
Ce nombre q s'appelle la raison de la suite (un).
M4 : comment vérifier qu'une suite est géométrique ?
®Après s'être assuré que un n'est jamais nul, on calcule, pour tout indice n, le rapport de deux termes
consécutifs uu
n
n
+1. Si on obtient une quantité constante q, alors la suite est géométrique de raison q. Si on
obtient une quantité variable, alors la suite n'est pas géométrique.
Variante (permettant d'éviter de raisonner avec un rapport et rendant les calculs moins lourds) : on montre qu'il
existe un réel q tel que, pour tout indice n, on ait un+1 = qun.
Exemples : les suites suivantes sont elles géométriques ?
1) un = 101, n.
On a, pour tout indice n : un ¹ 0 et uu
n
n
+1= 101
101
1
,,
n
n
+= 1,01
Suite géométrique de raison q = 1,01.
Avec la variante de de M4, il suffit d'écrire que pour tout indice n :
un+1 = 1,01n+1 = 1,01 ´ 1,01n = 1,01un
2) un = n2 (pour n  1).
On a pour tout indice n :un ¹ 0 et uu
n
n
+1= ( )nn
+12
2
Suite non géométrique.
Notons que cette conclusion est immédiate à la vue des premiers termes (u2 = 4 = u1 ´ 4, u3 = 9 = u2 ´ 4
9)
Remarque : toute suite définie par une relation du type un = lan(pour n  0 et a > 0) est géométrique de raison a
car pour tout n, on a :
uu
n
n
+1=aa
n
n
+1= a
Réciproquement, peut-on dire que toute suite géométrique de raison q peut s'écrire sous la forme un = lan ?
La réponse est dans ce qui suit.
M5 : comment calculer un terme quelconque d'une suite géométrique ?
®On utilise l'une des relations suivantes : un = qn u0 ou un = qn
- p up (pour p  n)
Exemples : Calculer u7 dans les deux cas suivants :
1) u0 =1
4 et q = 2 : u7 = q7 u0 = 27 ´1 4 = 25 = 32
2) u4 = 81 et q =1
3 : u7 = q7-4 u4 =1
3
3
æ
è
çö
ø
÷´ 81 = 3

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Exercice : démontrer que toute suite géométrique (un) peut s'écrire : un = lan.
En effet, si on note q la raison de la suite, on a, d'après M5 : un = qn u0
Il suffit de choisir a = q et l = u0 pour avoir le résultat demandé.
M6 : comment calculer la somme S de N termes consécutifs d'une suite géométrique de raison q ?
®Si q ¹ 1, on peut utiliser la relation suivante :
S = P q
q
N
( )1
1
-
-
où N = nombre de termes de la somme, P = premier terme de la somme et q = raison de la suite.
®Si q = 1 alors S = N P.
Exemples : calculer les sommes suivantes :
1) S = 1 + 2 + 4 + 8 + 16 + ... + 4096.
Nous avons affaire à une somme de termes d'une suite géométrique de premier terme u0 = 1 et de raison q = 2.
Se pose encore le problème du nombre de termes de cette somme. Pour cela, il suffit d'écrire les termes de la
somme S à l'aide d'exposants :
S = 20 + 21 + 22 + ... + 212
On en déduit que la somme S comporte 13 termes.
D'après M6, on obtient : S = 1 1 2
1 2
13
´ -
-
( ) = 213 - 1 = 8191
2) S = 1 + x + x2+ x3+ ... + xn= 11
1
-
-
+
xx
n (pour x ¹ 1, sinon S = n + 1)
Note : la formule de la somme de termes d'une suite géométrique (M6) prend parfois d'autres aspects :
S = u0 + u1 + u2 + ... + un = u q
q
n
01
1
1
( )-
-
+ ou encore S = u1 + u2 + ... + un = u q
q
n
11
1
( )-
-...
Enfin, la somme S des termes d'une suite géométrique de raison q, de premier terme P et dernier terme D, peut
encore se calculer avec la formule suivante : S = P Dq
q
-
-1
Preuve : comme D = PqN-1, il vient P(1 - qN) = P - PqN = P - Dq.
Quelques démonstrations :
M4 : évident, les relations uu
n
n
+1 = q et un+1 = q un étant équivalentes dès lors que un ¹ 0.
M5 : soit (un) une suite géométrique de raison q.
Si q = 0 ou si u0 = 0 alors (un) est la suite nulle est la relation un = qnu0 est triviale.
Supposons maintenant q ¹ 0 et u0 ¹ 0.
Montrons, par récurrence (sur n Î ), la propriété :
Ã(n) : un = qnu0
Si n = 0, la propriété est clairement vérifiée donc Ã(0) est vraie.
Montrons que, pour tout n Î  : Ã(n) Þ Ã(n + 1)