Compétence · Terminale TS.SUIT.LIM.01 Niveau : Moyen

Calculer et interpréter la limite d'une suite

Déterminer la limite finie ou infinie d'une suite en appliquant les théorèmes opératoires, les limites usuelles et en distinguant les formes indéterminées nécessitant un traitement spécifique.

Chapitre : Suites et raisonnement par récurrence Filière : Term Spécialité Maths Temps de maîtrise : ~75 min

Le cours

Définitions~1 min

Définition — limite finie (convergence)

$(u_n)$ converge vers le réel $\ell$ si tout intervalle ouvert contenant $\ell$ contient tous les termes de la suite à partir d'un certain rang.

Autrement dit : pour tout $\varepsilon\gt 0$, il existe un rang $n_0$ tel que $$n\geq n_0 \;\Longrightarrow\; \ell-\varepsilon\lt u_n\lt \ell+\varepsilon.$$ On note $\lim\limits_{n\to+\infty} u_n=\ell$. Si elle existe, la limite est unique.

À partir de $n_0$, tous les termes sont dans la bande.

Définition — limite infinie

$\lim\limits_{n\to+\infty} u_n=+\infty$ si, pour tout réel $A$, il existe un rang $n_0$ tel que $$n\geq n_0 \;\Longrightarrow\; u_n\geq A.$$ $\lim\limits_{n\to+\infty} u_n=-\infty$ si, pour tout réel $A$, il existe un rang $n_0$ tel que $n\geq n_0 \Rightarrow u_n\leq A$.

À partir de $n_0$, tous les termes dépassent $A$.

Vocabulaire : convergente / divergente

• Convergente = a une limite finie. Divergente = tout le reste.
• Une suite divergente peut donc : tendre vers $+\infty$, tendre vers $-\infty$, ou ne pas avoir de limite (ex. : $u_n=(-1)^n$, qui vaut alternativement $1$ et $-1$).

Limites de référence (à connaître par cœur)~1 min

À retenir — Suites usuelles

$\lim\limits_{n\to+\infty} n=\lim\limits_{n\to+\infty} n^2=\lim\limits_{n\to+\infty} n^k=+\infty$ ($k\in\mathbb{N}^\ast$)  $\lim\limits_{n\to+\infty} \sqrt{n}=+\infty$
$\lim\limits_{n\to+\infty} \dfrac1n=\lim\limits_{n\to+\infty} \dfrac1{n^2}=\lim\limits_{n\to+\infty} \dfrac1{n^k}=0$ ($k\in\mathbb{N}^\ast$)  $\lim\limits_{n\to+\infty} \dfrac1{\sqrt n}=0$

Exemple

Prouver avec la définition que $\lim\limits_{n\to+\infty} \frac1n=0$. Soit $\varepsilon\gt 0$. Pour $n\geq1$ : $\;-\varepsilon\lt \frac1n\lt \varepsilon \iff \frac1n\lt \varepsilon \iff n\gt \frac1\varepsilon$.
Tout entier $n_0\gt \frac1\varepsilon$ convient : pour $n\geq n_0$, on a bien $\frac1n\in\,]-\varepsilon\,;\varepsilon[$.

Exemple

Prouver que $\lim\limits_{n\to+\infty} \sqrt n=+\infty$. Soit $A\gt 0$. $\sqrt n\geq A \iff n\geq A^2$ : tout entier $n_0\geq A^2$ convient.

Opérations sur les limites~2 min

À retenir — Somme, produit, quotient ($\ell$, $\ell'$ réels)

Somme $u_n+v_n$

$\lim\limits_{n\to+\infty} u_n$$\ell$$\ell$$+\infty$$+\infty$
$\lim\limits_{n\to+\infty} v_n$$\ell'$$\pm\infty$$+\infty$$-\infty$
$\lim\limits_{n\to+\infty} (u_n+v_n)$$\ell+\ell'$$\pm\infty$$+\infty$FI

Produit $u_n\times v_n$

$\lim\limits_{n\to+\infty} u_n$$\ell$$\ell\neq0$$\pm\infty$$0$
$\lim\limits_{n\to+\infty} v_n$$\ell'$$\pm\infty$$\pm\infty$$\pm\infty$
$\lim\limits_{n\to+\infty} (u_nv_n)$$\ell\ell'$$\pm\infty^{\,\ast }$$\pm\infty^{\,\ast }$FI

Quotient $\dfrac{u_n}{v_n}$

$\lim\limits_{n\to+\infty} u_n$$\ell$$\ell$$\pm\infty$$\ell\neq0$ ou $\pm\infty$$0$$\pm\infty$
$\lim\limits_{n\to+\infty} v_n$$\ell'\neq0$$\pm\infty$$\ell'\neq0$$0$ (signe constant)$0$$\pm\infty$
$\lim\limits_{n\to+\infty} \dfrac{u_n}{v_n}$$\dfrac{\ell}{\ell'}$$0$$\pm\infty^{\,\ast }$$\pm\infty^{\,\ast }$FIFI

$^{\ast }$ le signe s'obtient par la règle des signes.

Les 4 formes indéterminées

$\displaystyle \text{«\,}\infty-\infty\text{\,»} \qquad\quad \text{«\,}0\times\infty\text{\,»} \qquad\quad \text{«\,}\frac{\infty}{\infty}\text{\,»} \qquad\quad \text{«\,}\frac{0}{0}\text{\,»}$

« Indéterminée » ne veut pas dire « pas de limite » : cela veut dire que les tableaux ne permettent pas de conclure et qu'il faut transformer l'écriture.

Méthode — lever une forme indéterminée

1. Polynôme ou quotient de polynômes : factoriser par le terme de plus haut degré (au numérateur et au dénominateur), puis simplifier.
2. Différence de racines : multiplier et diviser par la quantité conjuguée.

Exemple

$u_n=n^3-3n^2+5$. Forme « $\infty-\infty$ ». On factorise par $n^3$ : $$u_n=n^3\Bigl(1-\frac3n+\frac5{n^3}\Bigr).$$ $\lim\limits_{n\to+\infty} n^3=+\infty$ et $\lim\limits_{n\to+\infty} \bigl(1-\frac3n+\frac5{n^3}\bigr)=1$, donc par produit $\lim\limits_{n\to+\infty} u_n=+\infty$.

Exemple

$v_n=\dfrac{4n+5}{n^2+6}$. Forme « $\frac\infty\infty$ ». On factorise haut et bas : $$v_n=\frac{n\bigl(4+\frac5n\bigr)}{n^2\bigl(1+\frac6{n^2}\bigr)}=\frac{4+\frac5n}{n\bigl(1+\frac6{n^2}\bigr)}.$$ Le numérateur tend vers $4$, le dénominateur vers $+\infty$, donc par quotient $\lim\limits_{n\to+\infty} v_n=0$.

Exemple

$w_n=\sqrt{n+1}-\sqrt n$. Forme « $\infty-\infty$ ». Quantité conjuguée : $$w_n=\frac{(\sqrt{n+1}-\sqrt n)(\sqrt{n+1}+\sqrt n)}{\sqrt{n+1}+\sqrt n}=\frac{1}{\sqrt{n+1}+\sqrt n}\,, \quad\text{donc } \lim\limits_{n\to+\infty} w_n=0.$$

Réflexe : quotient de polynômes

La limite d'un quotient de polynômes est celle du quotient des termes de plus haut degré. À utiliser pour prévoir le résultat ; sur une copie, on rédige la factorisation.

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