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Chapitre 3 · Cours écrit

Suites arithmétiques et géométriques

Un bambou qui grandit de 55 centimètres par jour, un loyer qui augmente de 2 %2\,\% par an, une feuille dont l'épaisseur double à chaque pli, une quantité d'iode radioactif divisée par deux tous les huit jours : ces évolutions suivent deux modèles très simples. Dans le premier, on ajoute toujours le même nombre. Dans le second, on multiplie toujours par le même nombre.

Ce chapitre étudie ces deux familles : les suites arithmétiques et les suites géométriques. Pour chacune, tu sauras calculer n'importe quel terme, ajouter des termes consécutifs, trouver le sens de variation et conjecturer la limite. Tu apprendras surtout à reconnaître le bon modèle dans une situation : c'est un réflexe attendu à l'épreuve anticipée.

Les démonstrations de ce chapitre sont à connaître : terme général des deux suites, 1+2+…+n1 + 2 + \ldots + n et 1+q+…+qn1 + q + \ldots + q^n.

Comme à l'épreuve anticipée, les calculs se font sans calculatrice, sauf ceux que l'on confie à un programme Python. Les encadrés « Automatisme » signalent les calculs à savoir faire de tête.

Leçon 1 : Suites arithmétiques

Voir la vidéo de la leçon 1

1.1 Ajouter toujours le même nombre

Un jeune bambou mesure 4040 cm. Chaque jour, il grandit de 55 cm. On note unu_n sa hauteur, en centimètres, au bout de nn jours.

nn (jours) 00 11 22 33 44
unu_n (cm) 4040 4545 5050 5555 6060

Pour passer d'un terme au suivant, on ajoute toujours 55 : pour tout entier naturel nn, un+1=un+5u_{n+1} = u_n + 5.

1.2 Définition

Définition. Une suite (un)(u_n) est arithmétique s'il existe un réel rr tel que, pour tout entier naturel nn, un+1=un+r.u_{n+1} = u_n + r. Le nombre rr s'appelle la raison de la suite.

L'ordre des mots compte : c'est le même réel rr pour tous les rangs. La raison peut être positive, négative ou nulle. Elle ne suffit pas à définir la suite : il faut aussi connaître un terme, par exemple le premier.

1.3 Reconnaître une suite arithmétique

On calcule la différence un+1−unu_{n+1} - u_n. Si elle ne dépend pas de nn, la suite est arithmétique, et cette différence est sa raison.

Exemple 1. Soit un=3n+7u_n = 3n + 7. Pour tout entier naturel nn, un+1−un=3(n+1)+7−(3n+7)=3n+3+7−3n−7=3.u_{n+1} - u_n = 3(n + 1) + 7 - (3n + 7) = 3n + 3 + 7 - 3n - 7 = 3. La suite est arithmétique, de raison 33 et de premier terme u0=7u_0 = 7.

Exemple 2. Soit an=5−2n4a_n = \dfrac{5 - 2n}{4}. Alors an+1−an=5−2(n+1)−5+2n4=−12a_{n+1} - a_n = \dfrac{5 - 2(n + 1) - 5 + 2n}{4} = -\dfrac12. La suite est arithmétique, de raison −12-\dfrac12.

1.4 Montrer qu'une suite n'est pas arithmétique

Un contre-exemple suffit : il faut trouver deux différences qui ne sont pas égales.

Exemple 3. Soit vn=n2v_n = n^2. On a v0=0v_0 = 0, v1=1v_1 = 1 et v2=4v_2 = 4. Donc v1−v0=1v_1 - v_0 = 1 et v2−v1=3v_2 - v_1 = 3. Ces différences ne sont pas égales : la suite n'est pas arithmétique.

Attention. L'inverse est faux : pour prouver qu'une suite est arithmétique, regarder ses premiers termes ne suffit pas. Il faut un calcul valable pour tout entier naturel nn, comme dans l'exemple 1.

1.5 Avec une relation de récurrence

Si la relation est de la forme wn+1=wn+rw_{n+1} = w_n + r, on lit directement la raison.

Exemple 4. Si wn+1=wn−4w_{n+1} = w_n - 4, la suite est arithmétique, de raison −4-4.

Si t0=1t_0 = 1 et tn+1=2tn+1t_{n+1} = 2t_n + 1, on obtient t1=3t_1 = 3 et t2=7t_2 = 7. Les différences valent 22, puis 44 : la suite n'est pas arithmétique.

1.6 Évolutions à accroissements constants

Une suite arithmétique décrit une évolution à accroissements constants : la grandeur change de la même quantité à chaque étape.

Exemple 5 (une bougie). Une bougie mesure 1818 cm et perd 1,51{,}5 cm par heure. Sa hauteur hnh_n au bout de nn heures est une suite arithmétique de premier terme h0=18h_0 = 18 et de raison −1,5-1{,}5. On trouve h1=16,5h_1 = 16{,}5, h2=15h_2 = 15 et h3=13,5h_3 = 13{,}5. La raison est négative parce que la grandeur diminue.

Leçon 2 : Terme général d'une suite arithmétique

Voir la vidéo de la leçon 2

2.1 La formule

Propriété. Si (un)(u_n) est une suite arithmétique de raison rr, alors, pour tout entier naturel nn, un=u0+nr.u_n = u_0 + nr.

Démonstration. On a u1=u0+ru_1 = u_0 + r, puis u2=u1+r=u0+2ru_2 = u_1 + r = u_0 + 2r, puis u3=u0+3ru_3 = u_0 + 3r : pour atteindre le rang nn, on ajoute nn fois rr. Pour le rédiger, on écrit les nn égalités u1−u0=r,u2−u1=r,…,un−un−1=r,u_1 - u_0 = r, \quad u_2 - u_1 = r, \quad \ldots, \quad u_n - u_{n-1} = r, et on les additionne. À gauche, u1u_1 et −u1-u_1, u2u_2 et −u2-u_2, et ainsi de suite, s'annulent deux à deux : il reste un−u0u_n - u_0. À droite, on trouve nrnr. Donc un−u0=nru_n - u_0 = nr, c'est-à-dire un=u0+nru_n = u_0 + nr.

2.2 À partir d'un autre rang

Entre les rangs pp et nn, il y a n−pn - p étapes. Pour tous entiers naturels nn et pp, un=up+(n−p) r.u_n = u_p + (n - p)\,r. En particulier, si le premier terme est u1u_1, alors un=u1+(n−1) ru_n = u_1 + (n - 1)\,r.

Exemple 6. On sait que u5=17u_5 = 17 et u12=38u_{12} = 38. Alors u12=u5+7ru_{12} = u_5 + 7r, donc 7r=38−17=217r = 38 - 17 = 21 et r=3r = 3. Enfin, u0=u5−5r=17−15=2u_0 = u_5 - 5r = 17 - 15 = 2. Ainsi, un=2+3nu_n = 2 + 3n.

2.3 Un exemple : la température dans un forage

Dans le sous-sol, la température augmente d'environ 33 °C tous les 100100 m. Elle vaut 1212 °C près de la surface. On note TnT_n la température, en degrés Celsius, à n×100n \times 100 mètres de profondeur.

Exemple 7. La suite (Tn)(T_n) est arithmétique, de premier terme 1212 et de raison 33 : Tn=12+3nT_n = 12 + 3n.

  • À 2 0002\,000 m, n=20n = 20 et T20=12+3×20=72T_{20} = 12 + 3 \times 20 = 72. Il fait 7272 °C.
  • On cherche la profondeur où il fait 9090 °C. On résout 12+3n=9012 + 3n = 90, soit 3n=783n = 78 et n=26n = 26. C'est à 2 6002\,600 m.

2.4 Lien avec les fonctions affines

La formule s'écrit un=rn+u0u_n = rn + u_0 : le terme de rang nn est l'image de nn par la fonction affine f(x)=rx+u0f(x) = rx + u_0. On en déduit que :

  • les points (n ;un)(n\,;u_n) sont alignés ;
  • la raison rr est le coefficient directeur de la droite ;
  • le premier terme u0u_0 est son ordonnée à l'origine.

Inversement, si un=an+bu_n = an + b pour tout entier naturel nn, la suite est arithmétique, de raison aa.

Attention. La suite, ce sont les points isolés, pas la droite entière.

2.5 Sens de variation

Pour tout entier naturel nn, un+1−un=ru_{n+1} - u_n = r. Le signe de rr donne donc le sens de variation.

Raison La suite est
r>0r > 0 strictement croissante
r<0r < 0 strictement décroissante
r=0r = 0 constante

Exemple 8. Avec r=3>0r = 3 > 0, la température du forage est strictement croissante. Avec r=−1,5<0r = -1{,}5 < 0, la hauteur de la bougie est strictement décroissante.

2.6 Limite éventuelle

Sur un graphique, les points montent ou descendent régulièrement, sans jamais s'arrêter.

  • Si r>0r > 0, les termes finissent par dépasser n'importe quel nombre : la suite semble tendre vers +∞+\infty.
  • Si r<0r < 0, la suite semble tendre vers −∞-\infty.

Ce sont des conjectures, comme au chapitre 2. Elles seront démontrées en Terminale.

Leçon 3 : Somme des entiers et somme de termes consécutifs

Voir la vidéo de la leçon 3

3.1 L'idée en image

Un forestier empile des rondins : un au sommet, puis deux, puis trois, jusqu'à douze à la base. Pour les compter, regardons un cas plus petit, S=1+2+3+4+5S = 1 + 2 + 3 + 4 + 5.

Dessinons un escalier : 11 rond dans la première colonne, 22 dans la deuxième, jusqu'à 55. Une copie de cet escalier, retournée d'un demi-tour, s'emboîte contre le premier. On obtient un rectangle de 55 colonnes et 66 lignes, soit 3030 ronds. Il contient deux fois SS : donc 2S=302S = 30 et S=15S = 15.

3.2 La formule

Propriété. Pour tout entier naturel nn non nul, 1+2+…+n=n(n+1)2.1 + 2 + \ldots + n = \frac{n(n + 1)}{2}.

Démonstration. Notons SnS_n cette somme, et écrivons-la dans les deux sens. Sn=1+2+…+(n−1)+nS_n = 1 + 2 + \ldots + (n - 1) + n Sn=n+(n−1)+…+2+1S_n = n + (n - 1) + \ldots + 2 + 1 Additionnons membre à membre, colonne par colonne. Chaque colonne vaut n+1n + 1, et il y a nn colonnes. Donc 2Sn=n(n+1)2S_n = n(n + 1), et Sn=n(n+1)2S_n = \dfrac{n(n + 1)}{2}.

Exemple 9.

  • Pour les rondins : 1+2+…+12=12×132=781 + 2 + \ldots + 12 = \dfrac{12 \times 13}{2} = 78.
  • 1+2+…+100=100×1012=5 0501 + 2 + \ldots + 100 = \dfrac{100 \times 101}{2} = 5\,050.
  • 1+2+…+40=40×412=8201 + 2 + \ldots + 40 = \dfrac{40 \times 41}{2} = 820.

Pour retenir la formule : on ajoute nn nombres, dont la moyenne vaut n+12\dfrac{n + 1}{2}.

3.3 Somme de termes consécutifs d'une suite arithmétique

Propriété. La somme de termes consécutifs d'une suite arithmétique vaut nombre de termes×premier terme+dernier terme2.\text{nombre de termes} \times \frac{\text{premier terme} + \text{dernier terme}}{2}.

Pourquoi ? C'est le même raisonnement : on écrit la somme à l'endroit et à l'envers. À chaque colonne, on ajoute rr d'un côté et on retire rr de l'autre : toutes les colonnes valent premier terme plus dernier terme.

Exemple 10 (des gradins). Une salle de spectacle a 1515 rangs. Le premier compte 2020 places, et chaque rang a 44 places de plus que le précédent. Le nombre de places du rang nn est une suite arithmétique, de premier terme u1=20u_1 = 20 et de raison 44. Le dernier rang compte u15=20+14×4=76u_{15} = 20 + 14 \times 4 = 76 places. La salle compte donc 15×(20+76)2=15×962=720 places.\frac{15 \times (20 + 76)}{2} = \frac{15 \times 96}{2} = 720 \text{ places.}

3.4 Compter les termes

Automatisme. De upu_p à unu_n, il y a n−p+1n - p + 1 termes. Par exemple, de u3u_3 à u10u_{10}, il y a 88 termes, et non 77. De u0u_0 à unu_n, il y a n+1n + 1 termes.

Exemple 11. Soit S=5+8+11+…+62S = 5 + 8 + 11 + \ldots + 62. La raison vaut 33. Comme 62=5+19×362 = 5 + 19 \times 3, les rangs vont de 00 à 1919 : il y a 2020 termes. Donc S=20×(5+62)2=670.S = \frac{20 \times (5 + 62)}{2} = 670.

Leçon 4 : Suites géométriques

Voir la vidéo de la leçon 4

4.1 Multiplier toujours par le même nombre

Une feuille de papier a une épaisseur de 0,10{,}1 mm. Chaque pli double l'épaisseur. On note ene_n l'épaisseur, en millimètres, après nn plis.

nn (plis) 00 11 22 33
ene_n (mm) 0,10{,}1 0,20{,}2 0,40{,}4 0,80{,}8

Pour passer d'un terme au suivant, on multiplie toujours par 22 : pour tout entier naturel nn, en+1=2×ene_{n+1} = 2 \times e_n.

4.2 Définition

Définition. Une suite (un)(u_n) est géométrique s'il existe un réel qq tel que, pour tout entier naturel nn, un+1=q×un.u_{n+1} = q \times u_n. Le nombre qq s'appelle la raison de la suite.

Dans ce chapitre, sauf mention contraire, qq et le premier terme ne sont pas nuls. Sinon, tous les termes sont nuls à partir d'un certain rang, et la suite ne présente pas d'intérêt.

Suite arithmétique Suite géométrique
on ajoute rr on multiplie par qq
un+1=un+ru_{n+1} = u_n + r un+1=q×unu_{n+1} = q \times u_n

4.3 Reconnaître une suite géométrique

Si les termes ne sont pas nuls, on calcule le rapport de deux termes consécutifs un+1un\dfrac{u_{n+1}}{u_n}. S'il ne dépend pas de nn, la suite est géométrique, et ce rapport est sa raison.

Exemple 12. Soit un=3×2nu_n = 3 \times 2^n. Tous les termes sont strictement positifs, et pour tout entier naturel nn, un+1un=3×2n+13×2n=2n+12n=2.\frac{u_{n+1}}{u_n} = \frac{3 \times 2^{n+1}}{3 \times 2^n} = \frac{2^{n+1}}{2^n} = 2. La suite est géométrique, de raison 22 et de premier terme u0=3u_0 = 3.

Exemple 13. Soit vn=n2+1v_n = n^2 + 1. On a v0=1v_0 = 1, v1=2v_1 = 2, v2=5v_2 = 5 et v3=10v_3 = 10. Comme v1v0=2\dfrac{v_1}{v_0} = 2 et v2v1=52\dfrac{v_2}{v_1} = \dfrac52, la suite n'est pas géométrique. Elle n'est pas arithmétique non plus : ses différences valent 11, puis 33. Beaucoup de suites n'appartiennent à aucune des deux familles.

4.4 Évolutions à taux constant

Automatisme. Augmenter de t %t\,\%, c'est multiplier par 1+t1001 + \dfrac{t}{100}. Baisser de t %t\,\%, c'est multiplier par 1−t1001 - \dfrac{t}{100}. Ce nombre est le coefficient multiplicateur.

À automatiser : une évolution à taux fixe est modélisée par une suite géométrique.

Exemple 14 (un loyer). Un loyer de 800800 € augmente de 2 %2\,\% par an. Le loyer au bout de nn années est une suite géométrique de premier terme L0=800L_0 = 800 et de raison 1,021{,}02. On trouve L1=816L_1 = 816 et L2=816×1,02=832,32L_2 = 816 \times 1{,}02 = 832{,}32.

Exemple 15 (un téléphone). Un téléphone de 600600 € perd 20 %20\,\% de sa valeur par an. Sa valeur est une suite géométrique de premier terme V0=600V_0 = 600 et de raison 0,80{,}8. On trouve V1=480V_1 = 480 et V2=384V_2 = 384.

4.5 Évolutions successives et taux réciproque

Quand les évolutions s'enchaînent, les pourcentages ne s'ajoutent pas : les coefficients se multiplient.

Automatisme (évolutions successives).

  • Une hausse de 10 %10\,\% suivie d'une baisse de 10 %10\,\% : 1,1×0,9=0,991{,}1 \times 0{,}9 = 0{,}99. C'est une baisse de 1 %1\,\%.
  • Deux hausses de 2 %2\,\% : 1,022=1,04041{,}02^2 = 1{,}0404. C'est une hausse de 4,04 %4{,}04\,\%, et non de 4 %4\,\%.

Automatisme (taux réciproque). Après une hausse de 25 %25\,\%, on revient au départ en divisant par 1,251{,}25, c'est-à-dire en multipliant par 11,25=0,8\dfrac{1}{1{,}25} = 0{,}8. Il faut donc une baisse de 20 %20\,\%, et non de 25 %25\,\%.

Automatisme (valeur initiale). Un prix vaut 9696 € après une hausse de 20 %20\,\%. Il valait 961,2=80\dfrac{96}{1{,}2} = 80 €.

Automatisme (calculer un taux). Une grandeur passe de 5050 à 6565. Le taux d'évolution vaut 65−5050=0,3\dfrac{65 - 50}{50} = 0{,}3, soit une hausse de 30 %30\,\%.

Leçon 5 : Terme général d'une suite géométrique

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 La formule

Propriété. Si (un)(u_n) est une suite géométrique de raison qq, alors, pour tout entier naturel nn, un=u0×qn.u_n = u_0 \times q^n.

Démonstration. On a u1=q×u0u_1 = q \times u_0, puis u2=q×u1=q2×u0u_2 = q \times u_1 = q^2 \times u_0, puis u3=q3×u0u_3 = q^3 \times u_0 : pour atteindre le rang nn, on multiplie nn fois par qq. Pour le rédiger, on écrit les nn égalités u1u0=q,u2u1=q,…,unun−1=q,\frac{u_1}{u_0} = q, \quad \frac{u_2}{u_1} = q, \quad \ldots, \quad \frac{u_n}{u_{n-1}} = q, et on les multiplie. À gauche, les termes intermédiaires se simplifient : il reste unu0\dfrac{u_n}{u_0}. À droite, on trouve qnq^n. Donc un=u0×qnu_n = u_0 \times q^n.

Exemple 16 (la feuille). en=0,1×2ne_n = 0{,}1 \times 2^n. Après dix plis, e10=0,1×1 024=102,4e_{10} = 0{,}1 \times 1\,024 = 102{,}4 mm, soit environ 1010 cm. Après quarante-deux plis, on trouverait 0,1×2420{,}1 \times 2^{42} mm, soit environ 440 000440\,000 km. C'est plus que la distance de la Terre à la Lune, environ 385 000385\,000 km. Bien sûr, on ne peut pas plier une feuille autant de fois.

Automatisme. La puissance porte seulement sur qq. On calcule d'abord la puissance : 3×24=3×16=483 \times 2^4 = 3 \times 16 = 48, et non 646^4.

5.2 À partir d'un autre rang

Pour tous entiers naturels nn et pp, un=up×q n−p.u_n = u_p \times q^{\,n-p}. En particulier, si le premier terme est u1u_1, alors un=u1×q n−1u_n = u_1 \times q^{\,n-1}.

Exemple 17. On sait que u2=12u_2 = 12 et u5=96u_5 = 96, avec qq réel. Alors u5=u2×q3u_5 = u_2 \times q^3, soit 96=12×q396 = 12 \times q^3. Donc q3=8q^3 = 8 et q=2q = 2. Enfin, u0=u2q2=124=3u_0 = \dfrac{u_2}{q^2} = \dfrac{12}{4} = 3.

5.3 Sens de variation

Pour tout entier naturel nn, un+1−un=u0×qn+1−u0×qn=u0×qn×(q−1).u_{n+1} - u_n = u_0 \times q^{n+1} - u_0 \times q^n = u_0 \times q^n \times (q - 1). Si q>0q > 0, alors qn>0q^n > 0 : le signe de la différence est celui de u0×(q−1)u_0 \times (q - 1).

Raison Si u0>0u_0 > 0 Si u0<0u_0 < 0
q>1q > 1 strictement croissante strictement décroissante
0<q<10 < q < 1 strictement décroissante strictement croissante
q=1q = 1 constante constante

Si q<0q < 0, les termes changent de signe à chaque rang : la suite n'est pas monotone.

Exemple 18.

  • 3×1,5n3 \times 1{,}5^n est strictement croissante (u0>0u_0 > 0, q>1q > 1).
  • 8×0,7n8 \times 0{,}7^n est strictement décroissante (u0>0u_0 > 0, 0<q<10 < q < 1).
  • −2×3n-2 \times 3^n est strictement décroissante (u0<0u_0 < 0, q>1q > 1).
  • (−2)n(-2)^n vaut 1,−2,4,−8,161, -2, 4, -8, 16 : elle n'est pas monotone.

5.4 Limite éventuelle

Sur des exemples, on observe trois comportements.

Raison Comportement observé
q>1q > 1 la suite semble tendre vers +∞+\infty si u0>0u_0 > 0, vers −∞-\infty si u0<0u_0 < 0
−1<q<1-1 < q < 1 la suite semble tendre vers 00
q≤−1q \leq -1 la suite ne semble pas avoir de limite : ses termes oscillent

Ce sont des conjectures : elles seront démontrées en Terminale. Pour q=1q = 1, la suite est constante.

Leçon 6 : Somme de termes d'une suite géométrique

Voir la vidéo de la leçon 6

6.1 La formule

Propriété. Pour tout réel q≠1q \neq 1 et tout entier naturel nn, 1+q+q2+…+qn=1−q n+11−q.1 + q + q^2 + \ldots + q^n = \frac{1 - q^{\,n+1}}{1 - q}.

Démonstration. Notons S=1+q+q2+…+qnS = 1 + q + q^2 + \ldots + q^n. En multipliant par qq, chaque terme devient le suivant : qS=q+q2+q3+…+qn+1.qS = q + q^2 + q^3 + \ldots + q^{n+1}. Soustrayons ces deux égalités. Tous les termes du milieu disparaissent : S−qS=1−q n+1,soit(1−q) S=1−q n+1.S - qS = 1 - q^{\,n+1}, \quad \text{soit} \quad (1 - q)\,S = 1 - q^{\,n+1}. Comme q≠1q \neq 1, on peut diviser par 1−q1 - q, ce qui donne la formule.

Si q=1q = 1, la formule n'a pas de sens, mais le calcul est simple : la somme vaut n+1n + 1.

Automatisme. Dans la somme, il y a n+1n + 1 termes, de q0=1q^0 = 1 à qnq^n. C'est ce nombre de termes que l'on retrouve en exposant.

Exemple 19. Avec q=3q = 3 et n=5n = 5 : 1+3+32+…+35=1−361−3=−728−2=364.1 + 3 + 3^2 + \ldots + 3^5 = \frac{1 - 3^6}{1 - 3} = \frac{-728}{-2} = 364.

Exemple 20. Avec q=12q = \dfrac12 et n=3n = 3 : 1+12+14+18=1−1161−12=1516×2=158.1 + \frac12 + \frac14 + \frac18 = \frac{1 - \frac{1}{16}}{1 - \frac12} = \frac{15}{16} \times 2 = \frac{15}{8}.

6.2 Somme de termes consécutifs d'une suite géométrique

Quand la somme ne commence pas à 11, on met le premier terme en facteur.

Propriété. La somme de termes consécutifs d'une suite géométrique de raison q≠1q \neq 1 vaut premier terme×1−q nombre de termes1−q.\text{premier terme} \times \frac{1 - q^{\,\text{nombre de termes}}}{1 - q}.

Exemple 21 (les ancêtres). Sur dix générations, on compte 22 parents, 44 grands-parents, 88 arrière-grands-parents, et ainsi de suite. Cela fait A=2+4+8+…+210=2(1+2+…+29)=2×1−2101−2=2×1 023=2 046.A = 2 + 4 + 8 + \ldots + 2^{10} = 2\left(1 + 2 + \ldots + 2^9\right) = 2 \times \frac{1 - 2^{10}}{1 - 2} = 2 \times 1\,023 = 2\,046. Cette somme compte 1010 termes.

6.3 Une somme qui se stabilise

Pour tout entier naturel nn, posons Sn=1+12+14+…+(12)n.S_n = 1 + \frac12 + \frac14 + \ldots + \left(\frac12\right)^n. La formule donne Sn=1−(12)n+11−12=2−(12)n.S_n = \frac{1 - \left(\frac12\right)^{n+1}}{1 - \frac12} = 2 - \left(\frac12\right)^n. Comme (12)n\left(\dfrac12\right)^n semble tendre vers 00, la somme semble tendre vers 22. On le voit sur un dessin : un carré d'aire 11, puis, dans un second carré, la moitié, puis la moitié de ce qui reste, et ainsi de suite. On ne dépasse jamais les deux carrés.

6.4 Un peu d'histoire

Ces calculs sont anciens : au XIVe siècle, Oresme calculait déjà des sommes de termes de suites géométriques.

Leçon 7 : Modéliser : croissance linéaire ou exponentielle

Voir la vidéo de la leçon 7

7.1 Ajouter ou multiplier ?

La première question est : que reste-t-il constant ?

Ce qui est constant Exemple Modèle
l'accroissement, une quantité +30+30 par an suite arithmétique, raison 3030
le taux, une proportion +10 %+10\,\% par an suite géométrique, raison 1,11{,}1

Sur un tableau de valeurs, on compare les différences, puis les rapports.

Exemple 22. Pour 200200, 230230, 260260, les différences valent 3030 : modèle arithmétique. Pour 200200, 220220, 242242, les rapports valent 1,11{,}1 : modèle géométrique.

Automatisme. « Ajouter 3030 » est une formulation additive. « Multiplier par 1,11{,}1 » est une formulation multiplicative. Une même évolution peut se dire des deux façons sur une seule étape : passer de 200200 à 220220, c'est ajouter 2020, ou multiplier par 1,11{,}1.

7.2 Évolution et actualisation d'un capital

On place 5 0005\,000 € au taux annuel de 2 %2\,\%.

  • Intérêts simples : chaque année, on ajoute 2 %2\,\% du capital de départ, soit 100100 €. Le capital est Cn=5 000+100nC_n = 5\,000 + 100n : suite arithmétique.
  • Intérêts composés : les intérêts rapportent à leur tour. Chaque année, on multiplie par 1,021{,}02. Le capital est Dn=5 000×1,02nD_n = 5\,000 \times 1{,}02^n : suite géométrique.
nn (années) 11 22 33 1010
CnC_n (en euros) 5 1005\,100 5 2005\,200 5 3005\,300 6 0006\,000
DnD_n (en euros) 5 1005\,100 5 2025\,202 5 306,045\,306{,}04 environ 6 0956\,095

Exemple 23 (actualiser). Actualiser, c'est remonter le temps. Pour disposer de 5 2025\,202 € dans deux ans à ce même taux, il faut placer aujourd'hui 5 2021,022=5 2021,0404=5 000,\frac{5\,202}{1{,}02^2} = \frac{5\,202}{1{,}0404} = 5\,000, soit 5 0005\,000 €.

7.3 Évolution d'une population

Exemple 24 (des chamois). Dans un massif, on compte 400400 chamois, et on estime que leur nombre augmente de 10 %10\,\% par an. Le taux est constant : Pn=400×1,1nP_n = 400 \times 1{,}1^n. On trouve P1=440P_1 = 440, P2=484P_2 = 484 et, avec 1,110≈2,5941{,}1^{10} \approx 2{,}594, environ 1 0371\,037 chamois au bout de dix ans.

Un modèle a des limites : le massif ne pourra pas nourrir un nombre de chamois qui grandit sans fin.

7.4 Décroissance radioactive

Exemple 25 (l'iode 131). La quantité d'iode 131 est divisée par deux en huit jours environ. On part de 6464 mg, et on note NnN_n la quantité au bout de nn périodes de huit jours. La suite est géométrique, de raison 12\dfrac12 : Nn=64×(12)n.N_n = 64 \times \left(\frac12\right)^n. Quarante jours font cinq périodes : N5=64×132=2N_5 = 64 \times \dfrac{1}{32} = 2. Il reste 22 mg.

Attention. Ici, nn compte des périodes, pas des jours.

7.5 Deux croissances comparées

Soient un=20+10nu_n = 20 + 10n, une croissance linéaire, et vn=2nv_n = 2^n, une croissance exponentielle.

nn 00 66 77
unu_n 2020 8080 9090
vnv_n 11 6464 128128

Au début, unu_n est loin devant. Mais à partir du rang 77, vnv_n passe au-dessus. Une suite géométrique à termes positifs, de raison supérieure à 11, finit toujours par dépasser une suite arithmétique, même si elle part de très bas. On admet ce résultat.

7.6 Le lien avec la fonction exponentielle

Pourquoi le mot exponentielle ? Parce que la variable nn est en exposant. Une suite géométrique décrit une évolution observée à intervalles réguliers : c'est le temps discret. Au chapitre 11, la fonction exponentielle décrira une évolution de ce type à chaque instant : c'est le temps continu.

7.7 La méthode

  1. Définir la suite : que mesurent nn et unu_n ?
  2. Regarder une étape : on ajoute, ou on multiplie ?
  3. Écrire le premier terme, la raison et le terme général.
  4. Répondre à la question, avec l'unité, puis juger le modèle.

Leçon 8 : Python : termes, sommes et factorielle

Voir la vidéo de la leçon 8

Les listes, les boucles et les fonctions ont été revues au chapitre 2. Ici, on les met au service des suites.

8.1 Calculer un terme

Pour une suite arithmétique, on part de u0u_0 et on ajoute nn fois la raison. En langage naturel, on écrit u←u+ru \leftarrow u + r.

def terme_arith(u0, r, n):
    u = u0
    for k in range(n):
        u = u + r
    return u
>>> terme_arith(7, 3, 10)
37

On vérifie avec la formule : u10=7+10×3=37u_{10} = 7 + 10 \times 3 = 37.

Pour une suite géométrique, une seule ligne change : on multiplie au lieu d'ajouter.

def terme_geo(u0, q, n):
    u = u0
    for k in range(n):
        u = q * u
    return u
>>> terme_geo(3, 2, 5)
96
>>> 3 * 2**5
96

En Python, la puissance s'écrit **.

8.2 La liste des termes

>>> [7 + 3*n for n in range(6)]
[7, 10, 13, 16, 19, 22]
>>> [3 * 2**n for n in range(6)]
[3, 6, 12, 24, 48, 96]

8.3 Calculer une somme

Pour une somme, on utilise un accumulateur : une variable qui vaut 00 au départ, et à laquelle on ajoute chaque terme.

def somme_entiers(n):
    s = 0
    for k in range(1, n + 1):
        s = s + k
    return s
>>> somme_entiers(100)
5050
>>> 100 * 101 // 2
5050

Attention. Dans range(1, n + 1), la borne de droite est exclue : kk va de 11 à nn. La division entière // donne un résultat entier.

8.4 Découper en fonctions

Un bon programme se découpe en petites fonctions, chacune chargée d'une seule tâche. C'est la programmation modulaire.

def termes(u0, q, n):
    return [u0 * q**k for k in range(n + 1)]

def somme(L):
    s = 0
    for x in L:
        s = s + x
    return s
>>> somme(termes(2, 3, 5))
728

C'est bien 2×1−361−3=7282 \times \dfrac{1 - 3^6}{1 - 3} = 728. La fonction somme resservira pour n'importe quelle liste.

8.5 La factorielle

Définition. Pour tout entier naturel nn non nul, la factorielle de nn est le produit des entiers de 11 à nn : n!=1×2×…×n.n! = 1 \times 2 \times \ldots \times n. Par convention, 0!=10! = 1.

Exemple 26. 5!=1×2×3×4×5=1205! = 1 \times 2 \times 3 \times 4 \times 5 = 120.

def fact(n):
    p = 1
    for k in range(1, n + 1):
        p = p * k
    return p
>>> fact(5)
120
>>> fact(10)
3628800

Attention. Pour un produit, la variable vaut 11 au départ, et non 00 : sinon, le résultat serait toujours nul.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

Suite arithmétique Suite géométrique
Passage au suivant un+1=un+ru_{n+1} = u_n + r un+1=q×unu_{n+1} = q \times u_n
Reconnaître un+1−unu_{n+1} - u_n ne dépend pas de nn un+1un\dfrac{u_{n+1}}{u_n} ne dépend pas de nn
Terme général un=u0+nru_n = u_0 + nr un=u0×qnu_n = u_0 \times q^n
Depuis le rang pp un=up+(n−p) ru_n = u_p + (n - p)\,r un=up×q n−pu_n = u_p \times q^{\,n-p}
Somme de référence 1+2+…+n=n(n+1)21 + 2 + \ldots + n = \dfrac{n(n + 1)}{2} 1+q+…+qn=1−q n+11−q1 + q + \ldots + q^n = \dfrac{1 - q^{\,n+1}}{1 - q}
Termes consécutifs nombre de termes×premier+dernier2\text{nombre de termes} \times \dfrac{\text{premier} + \text{dernier}}{2} premier×1−q nombre de termes1−q\text{premier} \times \dfrac{1 - q^{\,\text{nombre de termes}}}{1 - q}
Sens de variation signe de rr u0>0u_0 > 0 : croissante si q>1q > 1, décroissante si 0<q<10 < q < 1
Limite éventuelle ±∞\pm\infty si r≠0r \neq 0 00 si −1<q<1-1 < q < 1 ; ±∞\pm\infty si q>1q > 1
Modèle accroissement constant taux constant
Croissance linéaire exponentielle
  1. Évolution à taux fixe : suite géométrique, de raison 1+t1001 + \dfrac{t}{100} ou 1−t1001 - \dfrac{t}{100}.
  2. Évolutions successives : les coefficients se multiplient, les pourcentages ne s'ajoutent pas.
  3. Nombre de termes de upu_p à unu_n : n−p+1n - p + 1.
  4. Python : accumulateur à 00 pour une somme, à 11 pour un produit ; range(1, n + 1) pour aller de 11 à nn.

Rituel d'automatismes

Douze questions à réponses courtes, sans calculatrice, à faire en dix minutes environ : six sur ce chapitre, six sur des automatismes déjà travaillés. C'est le format de la première partie de l'épreuve anticipée. Télécharger le rituel du chapitre 3 (PDF, avec son corrigé).

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