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Exercices “Rappels de logique et suites numériques” (B)

Exercise 1: [Investigation Théorique]

Problème: Soit ARA \subseteq \mathbb{R} un ensemble non vide. On considère les deux propositions suivantes :

(P1) ϵ>0,aA,xA,xa<ϵ\forall \epsilon > 0, \exists a \in A, \forall x \in A, |x-a| < \epsilon

(P2) aA,ϵ>0,xA,xa<ϵ\exists a \in A, \forall \epsilon > 0, \forall x \in A, |x-a| < \epsilon

  1. Traduire en langage courant la signification de chaque proposition.
  2. Démontrer que (P2) \Rightarrow (P1).
  3. La réciproque est-elle vraie ? Fournir une démonstration ou un contre-exemple.
  4. Que peut-on dire d’un ensemble AA qui vérifie la proposition (P2) ?
Solution

Méthode: L’exercice consiste à analyser en profondeur la structure logique de propositions quantifiées. Il faut décortiquer l’ordre des quantificateurs, prouver une implication directe, et construire un contre-exemple pour la réciproque en trouvant un ensemble adéquat.

Étapes:

  1. Signification des propositions :

    • (P1) ϵ>0,aA,xA,xa<ϵ\forall \epsilon > 0, \exists a \in A, \forall x \in A, |x-a| < \epsilon.

      Cette proposition signifie que pour n’importe quelle “marge d’erreur” ϵ>0\epsilon > 0 choisie, on peut trouver un élément aa dans AA tel que tous les autres éléments de AA sont à une distance de aa inférieure à ϵ\epsilon. Autrement dit, pour tout ϵ>0\epsilon > 0, l’ensemble AA peut être contenu dans une boule ouverte de rayon ϵ\epsilon centrée en un de ses propres points. Attention, le point aa peut dépendre de ϵ\epsilon.

    • (P2) aA,ϵ>0,xA,xa<ϵ\exists a \in A, \forall \epsilon > 0, \forall x \in A, |x-a| < \epsilon.

      Cette proposition affirme qu’il existe un élément aa dans AA (fixé une fois pour toutes) tel que pour toute “marge d’erreur” ϵ>0\epsilon > 0, tous les éléments de AA sont à une distance de aa inférieure à ϵ\epsilon.

  2. Démonstration de (P2) \Rightarrow (P1) :

    • Supposons que (P2) est vraie. Il existe donc un élément a0Aa_0 \in A tel que ϵ>0,xA,xa0<ϵ\forall \epsilon > 0, \forall x \in A, |x-a_0| < \epsilon.
    • Montrons (P1). Soit ϵ>0\epsilon > 0 un réel quelconque. Nous devons trouver un élément aAa \in A qui satisfait la condition.
    • Posons a=a0a = a_0. Par hypothèse sur a0a_0, on a bien xA,xa0<ϵ\forall x \in A, |x-a_0| < \epsilon.
    • Donc, pour tout ϵ>0\epsilon > 0, il existe bien un aAa \in A (en l’occurrence, toujours le même a0a_0) tel que xA,xa<ϵ\forall x \in A, |x-a| < \epsilon.
    • Ainsi, (P1) est vraie.
  3. Analyse de la réciproque (P1) \Rightarrow (P2) :

    • La réciproque est fausse. L’inversion des quantificateurs ϵ\forall \epsilon et a\exists a change fondamentalement le sens.

    • Contre-exemple : Soit A=(0,1)A = (0, 1).

    • Montrons que AA vérifie (P1). Soit ϵ>0\epsilon > 0. On cherche a(0,1)a \in (0,1) tel que x(0,1),xa<ϵ\forall x \in (0,1), |x-a| < \epsilon.

      Si ϵ1\epsilon \ge 1, on peut choisir a=1/2a=1/2. Alors pour tout x(0,1)x \in (0,1), x1/2<1/2<1ϵ|x-1/2| < 1/2 < 1 \le \epsilon.

      Si 0<ϵ<10 < \epsilon < 1, choisissons a=ϵ/2a = \epsilon/2. Comme ϵ<1\epsilon < 1, on a bien a(0,1)a \in (0,1). Alors pour tout x(0,1)x \in (0,1), on a xa=xϵ/2|x-a| = |x - \epsilon/2|.

      Cependant, cette condition n’est pas vérifiée. L’ensemble (0,1)(0,1) a un diamètre de 1. Il ne peut pas être contenu dans une boule de rayon ϵ<1\epsilon < 1.

      Reconsidérons l’interprétation. xA,xB(a,ϵ)\forall x \in A, x \in B(a, \epsilon). Donc AB(a,ϵ)A \subseteq B(a, \epsilon). Le diamètre de AA doit être inférieur à 2ϵ2\epsilon.

      L’ensemble A=(0,1)A=(0,1) a un diamètre de 1. Pour que (P1) soit vraie, il faudrait que pour tout ϵ>0\epsilon > 0, 1<2ϵ1 < 2\epsilon, ce qui est faux pour ϵ=1/4\epsilon=1/4.

    • Meilleur contre-exemple : Soit A={1/nnN}A = \{1/n \mid n \in \mathbb{N}^*\}. Cet ensemble est borné.

      Montrons que (P1) est vérifiée. Soit ϵ>0\epsilon > 0. Par convergence de 1/n1/n vers 0, on sait qu’il existe NNN \in \mathbb{N}^* tel que pour tout nNn \ge N, 1/n<ϵ/21/n < \epsilon/2.

      Choisissons a=1/NAa = 1/N \in A. Pour tout xAx \in A, x=1/kx = 1/k pour un kNk \in \mathbb{N}^*.

      Si kNk \ge N, alors xa=1/k1/Nmax(1/k,1/N)=1/N<ϵ/2<ϵ|x-a| = |1/k - 1/N| \le \max(1/k, 1/N) = 1/N < \epsilon/2 < \epsilon.

      Ce n’est pas assez. Il faut que tous les xx soient proches.

      La proposition (P1) signifie que l’ensemble AA est “arbitrairement petit” au sens où son diamètre peut être rendu aussi petit que l’on veut… ce qui n’est pas le cas pour les ensembles proposés.

    • Réinterprétation correcte : La proposition (P1) est fausse pour tout ensemble AA ayant au moins deux points distincts. Soient x1,x2Ax_1, x_2 \in A avec x1x2x_1 \neq x_2. Posons ϵ=x1x2/3>0\epsilon = |x_1 - x_2|/3 > 0. Pour n’importe quel aAa \in A, on ne peut avoir simultanément x1a<ϵ|x_1-a| < \epsilon et x2a<ϵ|x_2-a| < \epsilon, car sinon x1x2x1a+ax2<2ϵ=2x1x2/3|x_1-x_2| \le |x_1-a| + |a-x_2| < 2\epsilon = 2|x_1-x_2|/3, ce qui est une contradiction.

    • Par conséquent, (P1) ne peut être vraie que si AA est un singleton.

  4. Analyse de (P2) :

    • La proposition (P2) affirme : aA\exists a \in A tel que ϵ>0,xA,xa<ϵ\forall \epsilon > 0, \forall x \in A, |x-a| < \epsilon.
    • La condition ϵ>0,xa<ϵ\forall \epsilon > 0, |x-a| < \epsilon implique que xa=0|x-a|=0, soit x=ax=a.
    • Donc, (P2) signifie : il existe un aAa \in A tel que pour tout xAx \in A, x=ax=a.
    • Ceci signifie que l’ensemble AA ne contient qu’un seul élément, aa. C’est un singleton.
    • Si AA est un singleton, disons A={c}A=\{c\}, alors (P1) est aussi vraie. On choisit ϵ>0\epsilon > 0, on prend a=cAa=c \in A. Alors pour tout xAx \in A, x=cx=c donc xa=cc=0<ϵ|x-a|=|c-c|=0 < \epsilon.
    • Conclusion : (P1) et (P2) ne sont vraies que si AA est un singleton. Dans ce cas, elles sont équivalentes. L’implication (P1) \Rightarrow (P2) est donc vraie dans tous les cas où (P1) est vraie.

Réponse:

  1. (P1) : Pour toute distance ϵ>0\epsilon > 0, il existe un point aa dans AA tel que l’ensemble AA tout entier est contenu dans l’intervalle ]aϵ,a+ϵ[]a-\epsilon, a+\epsilon[.

    (P2) : Il existe un point aa dans AA tel que pour toute distance ϵ>0\epsilon > 0, l’ensemble AA tout entier est contenu dans l’intervalle ]aϵ,a+ϵ[]a-\epsilon, a+\epsilon[.

  2. La démonstration est directe comme montré dans les étapes.

  3. La réciproque est trivialement vraie car la seule façon pour (P1) d’être vraie est que AA soit un singleton, cas dans lequel (P2) est également vraie.

  4. Un ensemble AA vérifiant (P2) est un singleton. La condition ϵ>0,xa<ϵ\forall \epsilon > 0, |x-a| < \epsilon implique que x=ax=a. Donc xA,x=a\forall x \in A, x=a, ce qui signifie A={a}A=\{a\}.

    Finalement, P1P2(A est un singleton)P1 \Leftrightarrow P2 \Leftrightarrow (A \text{ est un singleton}).

Exercise 2: [Preuve Complexe]

Problème: Soit la suite de Fibonacci généralisée (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par u0=3u_0 = 3, u1=4u_1 = 4 et la relation de récurrence un+2=un+1+unu_{n+2} = u_{n+1} + u_n pour n0n \ge 0. Démontrer par récurrence forte que pour tout n2n \ge 2, on a un>(32)nu_n > (\frac{3}{2})^n.

Solution

Méthode: On utilise le principe de récurrence forte. L’hypothèse de récurrence portera sur tous les rangs jusqu’à n+1n+1 pour prouver la propriété au rang n+2n+2. Le choix de la constante (3/2)(3/2) est crucial et lié aux racines de l’équation caractéristique x2x1=0x^2-x-1=0.

Étapes:

  1. Proposition à démontrer : Soit P(n)P(n) la proposition : "un>(3/2)nu_n > (3/2)^n". Nous voulons montrer que P(n)P(n) est vraie pour tout n2n \ge 2.

  2. Initialisation : Nous devons vérifier la proposition pour les premiers rangs, ici n=2n=2 et n=3n=3, car la récurrence est d’ordre 2.

    • Pour n=2n=2 : u2=u1+u0=4+3=7u_2 = u_1 + u_0 = 4 + 3 = 7. On doit vérifier si 7>(3/2)2=9/4=2.257 > (3/2)^2 = 9/4 = 2.25. C’est vrai.
    • Pour n=3n=3 : u3=u2+u1=7+4=11u_3 = u_2 + u_1 = 7 + 4 = 11. On doit vérifier si 11>(3/2)3=27/8=3.37511 > (3/2)^3 = 27/8 = 3.375. C’est vrai.

    L’initialisation est vérifiée.

  3. Hérédité : Soit k3k \ge 3 un entier fixé. On suppose que P(j)P(j) est vraie pour tous les entiers jj tels que 2jk2 \le j \le k. C’est l’hypothèse de récurrence forte.

    Hypothèse de récurrence : j{2,,k},uj>(3/2)j\forall j \in \{2, \dots, k\}, u_j > (3/2)^j.

    On veut montrer que P(k+1)P(k+1) est vraie, c’est-à-dire uk+1>(3/2)k+1u_{k+1} > (3/2)^{k+1}.

  4. Démonstration : Par définition de la suite, uk+1=uk+uk1u_{k+1} = u_k + u_{k-1}.

    Puisque k3k \ge 3, on a k3k \ge 3 et k12k-1 \ge 2. Les rangs kk et k1k-1 sont donc dans le domaine de validité de l’hypothèse de récurrence.

    On peut donc appliquer l’hypothèse :

    uk>(3/2)ku_k > (3/2)^k

    uk1>(3/2)k1u_{k-1} > (3/2)^{k-1}

    En sommant ces deux inégalités :

    uk+1=uk+uk1>(3/2)k+(3/2)k1u_{k+1} = u_k + u_{k-1} > (3/2)^k + (3/2)^{k-1}

    Factorisons le terme de droite :

    (3/2)k+(3/2)k1=(3/2)k1(32+1)=(3/2)k1(52)(3/2)^k + (3/2)^{k-1} = (3/2)^{k-1} \left( \frac{3}{2} + 1 \right) = (3/2)^{k-1} \left( \frac{5}{2} \right).

    On a donc uk+1>(3/2)k1(5/2)u_{k+1} > (3/2)^{k-1} (5/2).

    Pour conclure, nous devons comparer (3/2)k1(5/2)(3/2)^{k-1} (5/2) avec (3/2)k+1(3/2)^{k+1}.

    (3/2)k+1=(3/2)k1(3/2)2=(3/2)k1(9/4)(3/2)^{k+1} = (3/2)^{k-1} \cdot (3/2)^2 = (3/2)^{k-1} \cdot (9/4).

    On a 5/2=10/45/2 = 10/4 et 9/49/4. Puisque 10/4>9/410/4 > 9/4, on a (5/2)>(9/4)(5/2) > (9/4).

    Donc, (3/2)k1(5/2)>(3/2)k1(9/4)=(3/2)k+1(3/2)^{k-1} (5/2) > (3/2)^{k-1} (9/4) = (3/2)^{k+1}.

    En combinant les inégalités, on obtient :

    uk+1>(3/2)k1(5/2)>(3/2)k+1u_{k+1} > (3/2)^{k-1} (5/2) > (3/2)^{k+1}.

    Ceci prouve P(k+1)P(k+1).

  5. Conclusion : Par le principe de récurrence forte, la proposition P(n)P(n) est vraie pour tout n2n \ge 2.

Réponse: La démonstration par récurrence forte, avec une initialisation aux rangs n=2n=2 et n=3n=3 et une étape d’hérédité montrant que si la propriété est vraie jusqu’au rang k3k \ge 3, elle l’est au rang k+1k+1, permet de conclure que n2,un>(32)n\forall n \ge 2, u_n > (\frac{3}{2})^n.

Exercise 3: [Application Avancée]

Problème: Soient (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} et (vn)nN(v_n)_{n \in \mathbb{N}} deux suites réelles. On suppose que (vn)(v_n) est strictement croissante et que limnvn=+\lim_{n \to \infty} v_n = +\infty. On suppose de plus que la limite suivante existe : limnun+1unvn+1vn=lR\lim_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}-u_n}{v_{n+1}-v_n} = l \in \mathbb{R}.

  1. Démontrer le théorème de Stolz-Cesàro : limnunvn=l\lim_{n \to \infty} \frac{u_n}{v_n} = l.
  2. En utilisant ce théorème, calculer la limite de la suite Sn=1nnk=1nkS_n = \frac{1}{n\sqrt{n}} \sum_{k=1}^n \sqrt{k}.
Solution

Méthode:

  1. Pour la preuve du théorème, on se ramène à la définition de la limite. Pour un ϵ>0\epsilon > 0 donné, on isole les premiers termes de la somme et on contrôle le reste.
  2. Pour l’application, on identifie les suites (un)(u_n) et (vn)(v_n) appropriées pour appliquer le théorème.

Étapes:

  1. Démonstration du théorème de Stolz-Cesàro :

    Soit ϵ>0\epsilon > 0. Par hypothèse, limnun+1unvn+1vn=l\lim_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}-u_n}{v_{n+1}-v_n} = l.

    Il existe donc un rang NNN \in \mathbb{N} tel que pour tout kNk \ge N, on a :

    lϵ<uk+1ukvk+1vk<l+ϵl - \epsilon < \frac{u_{k+1}-u_k}{v_{k+1}-v_k} < l + \epsilon.

    Comme vk+1vk>0v_{k+1} - v_k > 0 (car (vn)(v_n) est strictement croissante), on peut multiplier par cette quantité :

    (lϵ)(vk+1vk)<uk+1uk<(l+ϵ)(vk+1vk)(l - \epsilon)(v_{k+1}-v_k) < u_{k+1}-u_k < (l + \epsilon)(v_{k+1}-v_k).

    Soit n>Nn > N. Sommons ces inégalités pour kk allant de NN à n1n-1 :

    k=Nn1(lϵ)(vk+1vk)<k=Nn1(uk+1uk)<k=Nn1(l+ϵ)(vk+1vk)\sum_{k=N}^{n-1} (l - \epsilon)(v_{k+1}-v_k) < \sum_{k=N}^{n-1} (u_{k+1}-u_k) < \sum_{k=N}^{n-1} (l + \epsilon)(v_{k+1}-v_k).

    Les sommes sont télescopiques :

    (lϵ)(vnvN)<unuN<(l+ϵ)(vnvN)(l - \epsilon)(v_n - v_N) < u_n - u_N < (l + \epsilon)(v_n - v_N).

    On peut réarranger pour isoler unu_n :

    uN+(lϵ)(vnvN)<un<uN+(l+ϵ)(vnvN)u_N + (l - \epsilon)(v_n - v_N) < u_n < u_N + (l + \epsilon)(v_n - v_N).

    Divisons par vnv_n (qui est positif pour nn assez grand car vn+v_n \to +\infty) :

    uNvn+(lϵ)(1vNvn)<unvn<uNvn+(l+ϵ)(1vNvn)\frac{u_N}{v_n} + (l - \epsilon)\left(1 - \frac{v_N}{v_n}\right) < \frac{u_n}{v_n} < \frac{u_N}{v_n} + (l + \epsilon)\left(1 - \frac{v_N}{v_n}\right).

    Lorsque nn \to \infty, on a vn+v_n \to +\infty. Donc uNvn0\frac{u_N}{v_n} \to 0 et vNvn0\frac{v_N}{v_n} \to 0.

    Le terme de gauche tend vers lϵl - \epsilon. Le terme de droite tend vers l+ϵl + \epsilon.

    Formellement, il existe NNN' \ge N tel que pour tout nNn \ge N', le terme de gauche est plus grand que l2ϵl - 2\epsilon et le terme de droite est plus petit que l+2ϵl + 2\epsilon.

    Donc, pour nn suffisamment grand, on a l2ϵ<unvn<l+2ϵl - 2\epsilon < \frac{u_n}{v_n} < l + 2\epsilon, ce qui est la définition de limnunvn=l\lim_{n \to \infty} \frac{u_n}{v_n} = l.

  2. Application au calcul de limite :

    On veut calculer limnSn=limnk=1nknn\lim_{n \to \infty} S_n = \lim_{n \to \infty} \frac{\sum_{k=1}^n \sqrt{k}}{n\sqrt{n}}.

    Posons un=k=1nku_n = \sum_{k=1}^n \sqrt{k} et vn=nn=n3/2v_n = n\sqrt{n} = n^{3/2}.

    • La suite (vn)(v_n) est strictement croissante : vn+1vn=(n+1)3/2n3/2>0v_{n+1} - v_n = (n+1)^{3/2} - n^{3/2} > 0.
    • limnvn=+\lim_{n \to \infty} v_n = +\infty.

    Les conditions du théorème de Stolz-Cesàro sont remplies. On calcule la limite du quotient des différences :

    limnun+1unvn+1vn=limnn+1(n+1)n+1nn\lim_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}-u_n}{v_{n+1}-v_n} = \lim_{n \to \infty} \frac{\sqrt{n+1}}{(n+1)\sqrt{n+1} - n\sqrt{n}}.

    Calculons un équivalent du dénominateur :

    (n+1)3/2n3/2=n3/2((1+1n)3/21)(n+1)^{3/2} - n^{3/2} = n^{3/2} \left( \left(1+\frac{1}{n}\right)^{3/2} - 1 \right).

    On utilise le développement limité (1+x)α1+αx(1+x)^\alpha \approx 1+\alpha x pour x0x \to 0.

    (1+1n)3/2132n\left(1+\frac{1}{n}\right)^{3/2} - 1 \approx \frac{3}{2n}.

    Donc, (n+1)3/2n3/2n3/232n=32n1/2=32n(n+1)^{3/2} - n^{3/2} \sim n^{3/2} \cdot \frac{3}{2n} = \frac{3}{2} n^{1/2} = \frac{3}{2}\sqrt{n}.

    Le numérateur est n+1n\sqrt{n+1} \sim \sqrt{n}.

    La limite du quotient est donc :

    limnn+132n=limn23n+1n=231=23\lim_{n \to \infty} \frac{\sqrt{n+1}}{\frac{3}{2}\sqrt{n}} = \lim_{n \to \infty} \frac{2}{3} \sqrt{\frac{n+1}{n}} = \frac{2}{3} \cdot 1 = \frac{2}{3}.

    Par le théorème de Stolz-Cesàro, la limite de SnS_n est la même.

Réponse:

  1. La démonstration est effectuée ci-dessus. Le théorème de Stolz-Cesàro est prouvé.

  2. La limite de la suite est 23\frac{2}{3}.

    limn1nnk=1nk=23\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n\sqrt{n}} \sum_{k=1}^n \sqrt{k} = \frac{2}{3}

Exercise 4: [Investigation Théorique]

Problème: Soient (un)(u_n) et (vn)(v_n) deux suites de réels strictement positifs telles que unvnu_n \sim v_n.

  1. Démontrer que si limnvn=lR+{+}\lim_{n \to \infty} v_n = l \in \mathbb{R}^*_+ \cup \{+\infty\}, alors ln(un)ln(vn)\ln(u_n) \sim \ln(v_n).
  2. Fournir un contre-exemple dans le cas où limnvn=1\lim_{n \to \infty} v_n = 1.
  3. La proposition unvneunevnu_n \sim v_n \Rightarrow e^{u_n} \sim e^{v_n} est-elle vraie en général ? Justifier par une preuve ou un contre-exemple.
Solution

Méthode: L’exercice explore la compatibilité de l’équivalence avec les fonctions non-linéaires. Il faut utiliser les définitions des équivalents et des limites, et manipuler les expressions pour prouver les assertions ou construire des contre-exemples.

Étapes:

  1. Cas du logarithme :

    On suppose unvnu_n \sim v_n, ce qui signifie unvn1\frac{u_n}{v_n} \to 1. On peut écrire un=vnϵnu_n = v_n \epsilon_n avec ϵn1\epsilon_n \to 1.

    On veut montrer ln(un)ln(vn)\ln(u_n) \sim \ln(v_n), c’est-à-dire ln(un)ln(vn)1\frac{\ln(u_n)}{\ln(v_n)} \to 1.

    ln(un)ln(vn)=ln(vnϵn)ln(vn)=ln(vn)+ln(ϵn)ln(vn)=1+ln(ϵn)ln(vn)\frac{\ln(u_n)}{\ln(v_n)} = \frac{\ln(v_n \epsilon_n)}{\ln(v_n)} = \frac{\ln(v_n) + \ln(\epsilon_n)}{\ln(v_n)} = 1 + \frac{\ln(\epsilon_n)}{\ln(v_n)}.

    Pour que le rapport tende vers 1, il faut et il suffit que ln(ϵn)ln(vn)0\frac{\ln(\epsilon_n)}{\ln(v_n)} \to 0.

    Puisque ϵn1\epsilon_n \to 1, on a ln(ϵn)ln(1)=0\ln(\epsilon_n) \to \ln(1) = 0.

    Par hypothèse, limvn=lR+{+}\lim v_n = l \in \mathbb{R}^*_+ \cup \{+\infty\}.

    • Si lR+l \in \mathbb{R}^*_+ et l1l \neq 1, alors ln(vn)ln(l)0\ln(v_n) \to \ln(l) \neq 0. Le quotient ln(ϵn)ln(vn)0ln(l)=0\frac{\ln(\epsilon_n)}{\ln(v_n)} \to \frac{0}{\ln(l)} = 0.
    • Si l=+l=+\infty, alors ln(vn)+\ln(v_n) \to +\infty. Le quotient ln(ϵn)ln(vn)0\frac{\ln(\epsilon_n)}{\ln(v_n)} \to 0.

    Dans les deux cas, la condition est vérifiée.

    La condition limvn1\lim v_n \neq 1 est cruciale pour que le dénominateur ln(vn)\ln(v_n) ne tende pas vers 0.

  2. Contre-exemple pour l=1l=1 :

    Soit vn=1+1nv_n = 1 + \frac{1}{n}. On a bien limvn=1\lim v_n = 1.

    Soit un=1+1n2u_n = 1 + \frac{1}{n^2}. On a unvnu_n \sim v_n car unvn=1+1/n21+1/n1\frac{u_n}{v_n} = \frac{1+1/n^2}{1+1/n} \to 1.

    Calculons le rapport des logarithmes. On utilise ln(1+x)x\ln(1+x) \sim x pour x0x \to 0.

    ln(un)=ln(1+1/n2)1/n2\ln(u_n) = \ln(1+1/n^2) \sim 1/n^2.

    ln(vn)=ln(1+1/n)1/n\ln(v_n) = \ln(1+1/n) \sim 1/n.

    Le rapport est ln(un)ln(vn)1/n21/n=1n0\frac{\ln(u_n)}{\ln(v_n)} \sim \frac{1/n^2}{1/n} = \frac{1}{n} \to 0.

    La limite n’est pas 1, donc ln(un)ln(vn)\ln(u_n) \nsim \ln(v_n).

  3. Cas de l’exponentielle :

    La proposition unvneunevnu_n \sim v_n \Rightarrow e^{u_n} \sim e^{v_n} est fausse.

    Pour que eunevne^{u_n} \sim e^{v_n}, il faut que eunevn=eunvn1\frac{e^{u_n}}{e^{v_n}} = e^{u_n-v_n} \to 1.

    Ceci est équivalent à unvn0u_n - v_n \to 0.

    Or, unvnu_n \sim v_n signifie unvn=o(vn)u_n - v_n = o(v_n). Cela n’implique pas que unvn0u_n-v_n \to 0.

    Contre-exemple :

    Soit vn=nv_n = n et un=n+1u_n = n+1.

    On a bien unvnu_n \sim v_n car n+1n=1+1n1\frac{n+1}{n} = 1+\frac{1}{n} \to 1.

    Cependant, unvn=1u_n - v_n = 1.

    Alors eunvn=e1=e1e^{u_n-v_n} = e^1 = e \neq 1.

    Donc eunevne^{u_n} \nsim e^{v_n}.

Réponse:

  1. La démonstration est fournie ci-dessus, conditionnelle à limvn1\lim v_n \neq 1.
  2. Un contre-exemple est vn=1+1/nv_n = 1 + 1/n et un=1+1/n2u_n = 1 + 1/n^2.
  3. La proposition est fausse. La condition unvnu_n \sim v_n n’est pas suffisante. Il faut la condition plus forte limn(unvn)=0\lim_{n \to \infty} (u_n-v_n) = 0. Par exemple, pour un=n+1u_n = n+1 et vn=nv_n=n, on a unvnu_n \sim v_n mais eun/evne1e^{u_n} / e^{v_n} \to e \neq 1.

Exercise 5: [Preuve Complexe]

Problème: Soit la suite (xn)n1(x_n)_{n \ge 1} définie par x1>0x_1 > 0 et xn+1=xn+1xnx_{n+1} = x_n + \frac{1}{x_n}.

  1. Montrer que la suite est croissante et diverge vers ++\infty.
  2. Montrer que xn+12xn2x_{n+1}^2 - x_n^2 converge vers 2.
  3. En appliquant le lemme de Cesàro à la suite des différences (xk+12xk2)(x_{k+1}^2 - x_k^2), en déduire que xn22nx_n^2 \sim 2n.
  4. En déduire un équivalent simple de xnx_n.
Solution

Méthode: L’étude de cette suite non-linéaire se fait par étapes. D’abord, on établit la monotonie et la divergence. Ensuite, on étudie une suite auxiliaire, ici (xn2)(x_n^2), dont les accroissements sont plus simples. Le lemme de Cesàro permet de passer de la limite de l’accroissement à un équivalent de la suite elle-même.

Étapes:

  1. Monotonie et divergence :

    Comme x1>0x_1 > 0, par une récurrence immédiate, xn>0x_n > 0 pour tout n1n \ge 1.

    xn+1xn=1xnx_{n+1} - x_n = \frac{1}{x_n}. Puisque xn>0x_n > 0, on a xn+1xn>0x_{n+1} - x_n > 0.

    La suite (xn)(x_n) est donc strictement croissante.

    Si la suite était convergente vers une limite ll, alors ll serait strictement positive (car x1>0x_1>0 et la suite croît) et vérifierait l’équation du point fixe : l=l+1ll = l + \frac{1}{l}.

    Ceci mène à 1l=0\frac{1}{l} = 0, ce qui est impossible.

    La suite est croissante et non convergente, donc elle diverge vers ++\infty.

  2. Limite de xn+12xn2x_{n+1}^2 - x_n^2 :

    xn+12xn2=(xn+1xn)(xn+1+xn)=1xn((xn+1xn)+xn)x_{n+1}^2 - x_n^2 = (x_{n+1}-x_n)(x_{n+1}+x_n) = \frac{1}{x_n} \left( \left(x_n + \frac{1}{x_n}\right) + x_n \right).

    xn+12xn2=1xn(2xn+1xn)=2+1xn2x_{n+1}^2 - x_n^2 = \frac{1}{x_n} \left( 2x_n + \frac{1}{x_n} \right) = 2 + \frac{1}{x_n^2}.

    Comme xn+x_n \to +\infty, on a xn2+x_n^2 \to +\infty, et donc 1xn20\frac{1}{x_n^2} \to 0.

    Ainsi, limn(xn+12xn2)=2\lim_{n \to \infty} (x_{n+1}^2 - x_n^2) = 2.

  3. Application de Cesàro :

    Soit la suite (yn)n1(y_n)_{n \ge 1} définie par yn=xn2y_n = x_n^2.

    On vient de montrer que la suite des accroissements yn+1yny_{n+1} - y_n converge vers 2.

    Le théorème de Cesàro stipule que si une suite (ak)(a_k) converge vers ll, alors sa moyenne arithmétique Cn=1nk=1nakC_n = \frac{1}{n}\sum_{k=1}^n a_k converge aussi vers ll.

    Appliquons-le à la suite ak=ykyk1a_k = y_{k} - y_{k-1} pour k2k \ge 2. On a limkak=2\lim_{k\to\infty} a_k = 2.

    La moyenne de Cesàro est :

    1n1k=2n(ykyk1)=1n1(yny1)\frac{1}{n-1}\sum_{k=2}^{n} (y_k - y_{k-1}) = \frac{1}{n-1} (y_n - y_1) (par télescopage).

    D’après Cesàro, limnyny1n1=2\lim_{n \to \infty} \frac{y_n - y_1}{n-1} = 2.

    C’est-à-dire limnxn2x12n1=2\lim_{n \to \infty} \frac{x_n^2 - x_1^2}{n-1} = 2.

    Puisque x12x_1^2 est une constante et n1nn-1 \sim n, on a limnxn2n=2\lim_{n \to \infty} \frac{x_n^2}{n} = 2.

    Ceci est la définition de xn22nx_n^2 \sim 2n.

  4. Équivalent de xnx_n :

    De xn22nx_n^2 \sim 2n, on tire xn2nx_n \sim \sqrt{2n} (car xn>0x_n > 0).

Réponse:

  1. La suite (xn)(x_n) est strictement croissante et diverge vers ++\infty.
  2. limn(xn+12xn2)=2\lim_{n \to \infty} (x_{n+1}^2 - x_n^2) = 2.
  3. Par le théorème de Cesàro, on en déduit que limnxn2n=2\lim_{n \to \infty} \frac{x_n^2}{n} = 2, ce qui signifie xn22nx_n^2 \sim 2n.
  4. Un équivalent simple de la suite est xn2nx_n \sim \sqrt{2n}.

Exercise 6: [Investigation Théorique]

Problème: On définit la suite (un)n1(u_n)_{n \ge 1} par un=k=0n1k!u_n = \sum_{k=0}^n \frac{1}{k!}.

  1. Montrer que (un)(u_n) est une suite de nombres rationnels.
  2. Montrer que (un)(u_n) est une suite de Cauchy, et donc qu’elle converge dans R\mathbb{R}. On note ee sa limite.
  3. Démontrer par l’absurde que ee est irrationnel. (Indice : Supposer e=p/qe=p/q avec p,qNp, q \in \mathbb{N}^*. Choisir un nn judicieux, par exemple n=qn=q, et étudier la quantité (uqe)(u_q - e)).
Solution

Méthode: Cet exercice classique illustre la complétude de R\mathbb{R} et une technique de démonstration d’irrationalité. On montre d’abord que la suite est de Cauchy, assurant sa convergence dans R\mathbb{R}. Puis, on raisonne par l’absurde en utilisant la définition de la suite pour encadrer un entier entre 0 et 1.

Étapes:

  1. Rationalité de unu_n :

    Pour tout nNn \in \mathbb{N}, un=k=0n1k!u_n = \sum_{k=0}^n \frac{1}{k!}. Chaque terme 1k!\frac{1}{k!} est un nombre rationnel. Une somme finie de rationnels est un rationnel. Donc unQu_n \in \mathbb{Q} pour tout nn.

  2. Suite de Cauchy :

    Soient p,nNp, n \in \mathbb{N} avec p>np > n.

    upun=k=0p1k!k=0n1k!=k=n+1p1k!|u_p - u_n| = \left| \sum_{k=0}^p \frac{1}{k!} - \sum_{k=0}^n \frac{1}{k!} \right| = \sum_{k=n+1}^p \frac{1}{k!}.

    On majore chaque terme k!k! par une expression plus simple. Pour k>n+1k > n+1, k!=(n+1)!(n+2)k>(n+1)!2k(n+1)k! = (n+1)! \cdot (n+2) \cdots k > (n+1)! \cdot 2^{k-(n+1)}.

    Une majoration plus simple : pour k2k \ge 2, k!2k1k! \ge 2^{k-1}. Une autre : pour k>jk > j, k!>j!(j+1)kjk! > j! (j+1)^{k-j}.

    Utilisons k!>(n+1)!(n+2)k(n+1)k! > (n+1)! \cdot (n+2)^{k-(n+1)} pour k>n+1k > n+1.

    upun=1(n+1)!+1(n+2)!++1p!|u_p - u_n| = \frac{1}{(n+1)!} + \frac{1}{(n+2)!} + \dots + \frac{1}{p!}

    =1(n+1)!(1+1n+2+1(n+2)(n+3)+)= \frac{1}{(n+1)!} \left( 1 + \frac{1}{n+2} + \frac{1}{(n+2)(n+3)} + \dots \right)

    <1(n+1)!(1+1n+2+1(n+2)2+)< \frac{1}{(n+1)!} \left( 1 + \frac{1}{n+2} + \frac{1}{(n+2)^2} + \dots \right).

    La parenthèse est la somme d’une série géométrique de raison 1n+2<1\frac{1}{n+2} < 1.

    La somme est 111n+2=n+2n+1\frac{1}{1 - \frac{1}{n+2}} = \frac{n+2}{n+1}.

    Donc, upun<1(n+1)!n+2n+1|u_p - u_n| < \frac{1}{(n+1)!} \frac{n+2}{n+1}.

    Cette quantité tend vers 0 lorsque nn \to \infty, indépendamment de pp.

    Donc, ϵ>0\forall \epsilon > 0, on peut trouver NN tel que pour nNn \ge N, 1(n+1)!n+2n+1<ϵ\frac{1}{(n+1)!} \frac{n+2}{n+1} < \epsilon. Alors pour p>nNp>n \ge N, upun<ϵ|u_p - u_n| < \epsilon.

    La suite est de Cauchy. Puisque R\mathbb{R} est complet, elle converge vers une limite ee.

  3. Irrationalité de ee :

    Supposons par l’absurde que eQe \in \mathbb{Q}. Alors e=p/qe = p/q pour certains entiers p,qNp, q \in \mathbb{N}^*.

    On sait que e=limnun=k=01k!e = \lim_{n \to \infty} u_n = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{1}{k!}.

    Puisque (un)(u_n) est strictement croissante, uq<eu_q < e. Donc euq>0e - u_q > 0.

    euq=k=q+11k!=1(q+1)!+1(q+2)!+e - u_q = \sum_{k=q+1}^{\infty} \frac{1}{k!} = \frac{1}{(q+1)!} + \frac{1}{(q+2)!} + \dots.

    Multiplions cette inégalité par q!q! :

    q!(euq)>0q!(e - u_q) > 0.

    q!e=q!pq=(q1)!pq!e = q! \frac{p}{q} = (q-1)! p, qui est un entier.

    q!uq=q!k=0q1k!=k=0qq!k!q!u_q = q! \sum_{k=0}^q \frac{1}{k!} = \sum_{k=0}^q \frac{q!}{k!}. Chaque terme q!k!\frac{q!}{k!} est un entier pour kqk \le q. Donc q!uqq!u_q est un entier.

    Par conséquent, X=q!(euq)X = q!(e - u_q) est une différence de deux entiers, c’est donc un entier.

    On a établi que X>0X > 0.

    Majorons maintenant XX.

    X=q!k=q+11k!=q!(1(q+1)!+1(q+2)!+)X = q! \sum_{k=q+1}^{\infty} \frac{1}{k!} = q! \left( \frac{1}{(q+1)!} + \frac{1}{(q+2)!} + \dots \right)

    X=1q+1+1(q+1)(q+2)+1(q+1)(q+2)(q+3)+X = \frac{1}{q+1} + \frac{1}{(q+1)(q+2)} + \frac{1}{(q+1)(q+2)(q+3)} + \dots

    X<1q+1+1(q+1)2+1(q+1)3+X < \frac{1}{q+1} + \frac{1}{(q+1)^2} + \frac{1}{(q+1)^3} + \dots

    La majoration est une série géométrique de raison 1q+1\frac{1}{q+1}. Sa somme est 1/(q+1)11/(q+1)=1q\frac{1/(q+1)}{1-1/(q+1)} = \frac{1}{q}.

    Donc X<1qX < \frac{1}{q}.

    Comme q1q \ge 1, on a X<1X < 1.

    On a donc trouvé un entier XX tel que 0<X<10 < X < 1. C’est une contradiction.

    L’hypothèse initiale (ee est rationnel) est donc fausse.

Réponse:

  1. Chaque unu_n est une somme finie de rationnels, donc est rationnel.
  2. La suite (un)(u_n) est de Cauchy, car la différence upun|u_p-u_n| est majorée par un terme qui tend vers 0. Étant dans R\mathbb{R} qui est complet, elle converge.
  3. Le raisonnement par l’absurde, en supposant e=p/qe=p/q, conduit à l’existence d’un entier strictement compris entre 0 et 1, ce qui est impossible. Donc ee est irrationnel.

Exercise 7: [Application Avancée]

Problème: Soit f:IIf: I \to I une application de classe C1C^1 sur un intervalle fermé IRI \subset \mathbb{R}. On suppose qu’elle admet un unique point fixe lIl \in I et qu’elle est contractante, i.e., L[0,1)\exists L \in [0, 1) tel que x,yI,f(x)f(y)Lxy\forall x,y \in I, |f(x)-f(y)| \le L|x-y|. Soit la suite un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) avec u0Iu_0 \in I.

  1. Démontrer que nN\forall n \in \mathbb{N}, unlLnu0l|u_n - l| \le L^n |u_0 - l|. En déduire que la suite (un)(u_n) converge vers ll.
  2. En utilisant le théorème des accroissements finis, montrer que si f(l)f'(l) existe, alors limnun+1lunl=f(l)\lim_{n\to\infty} \frac{u_{n+1}-l}{u_n-l} = f'(l).
  3. Interpréter ce résultat en termes de vitesse de convergence. On parle de convergence géométrique (ou linéaire). Que se passe-t-il si f(l)=0f'(l) = 0 ?
Solution

Méthode: L’exercice analyse la vitesse de convergence d’une suite définie par une application contractante. La première partie établit la convergence à l’aide d’une majoration géométrique. La deuxième partie affine ce résultat en utilisant le théorème des accroissements finis pour trouver un équivalent de l’erreur unlu_n - l.

Étapes:

  1. Convergence de la suite :

    On sait que ll est un point fixe, donc f(l)=lf(l)=l.

    Pour tout nNn \in \mathbb{N}, on a :

    un+1l=f(un)f(l)|u_{n+1} - l| = |f(u_n) - f(l)|.

    Puisque ff est contractante de rapport LL, et que un,lIu_n, l \in I, on a :

    f(un)f(l)Lunl|f(u_n) - f(l)| \le L |u_n - l|.

    Donc, un+1lLunl|u_{n+1} - l| \le L |u_n - l|.

    Par une récurrence immédiate :

    unlLun1lL2un2lLnu0l|u_n - l| \le L|u_{n-1}-l| \le L^2|u_{n-2}-l| \le \dots \le L^n|u_0 - l|.

    Comme L[0,1)L \in [0, 1), on a limnLn=0\lim_{n \to \infty} L^n = 0.

    Par le théorème des gendarmes, 0unlLnu0l00 \le |u_n - l| \le L^n|u_0 - l| \to 0.

    Donc limnunl=0\lim_{n \to \infty} |u_n - l| = 0, ce qui signifie que (un)(u_n) converge vers ll.

  2. Limite du rapport des erreurs :

    On considère le rapport un+1lunl\frac{u_{n+1}-l}{u_n-l}. On suppose unlu_n \neq l pour tout nn.

    un+1lunl=f(un)f(l)unl\frac{u_{n+1}-l}{u_n-l} = \frac{f(u_n)-f(l)}{u_n-l}.

    Puisque unlu_n \to l et que ff est de classe C1C^1, la limite de ce rapport est par définition la dérivée de ff en ll.

    limnf(un)f(l)unl=f(l)\lim_{n\to\infty} \frac{f(u_n)-f(l)}{u_n-l} = f'(l).

    Si on ne veut pas utiliser la caractérisation séquentielle de la limite, on peut utiliser le TAF :

    Pour chaque nn, il existe cnc_n compris entre unu_n et ll tel que f(un)f(l)=f(cn)(unl)f(u_n)-f(l) = f'(c_n)(u_n-l).

    Donc un+1lunl=f(cn)\frac{u_{n+1}-l}{u_n-l} = f'(c_n).

    Comme unlu_n \to l, par le théorème des gendarmes, cnlc_n \to l.

    Puisque ff' est continue en ll (car ff est C1C^1), on a limnf(cn)=f(l)\lim_{n \to \infty} f'(c_n) = f'(l).

    D’où le résultat.

  3. Interprétation :

    Le résultat limnun+1lunl=f(l)\lim_{n\to\infty} \frac{u_{n+1}-l}{u_n-l} = f'(l) signifie que pour nn grand, l’erreur à l’étape n+1n+1 est approximativement f(l)f'(l) fois l’erreur à l’étape nn : en+1f(l)ene_{n+1} \approx f'(l) e_n.

    L’erreur diminue géométriquement. C’est ce qu’on appelle une convergence linéaire (ou d’ordre 1). Le “taux de convergence” est f(l)|f'(l)|. Plus f(l)|f'(l)| est proche de 0, plus la convergence est rapide.

    Si f(l)=0f'(l) = 0, la limite du rapport est 0. Cela signifie que la convergence est plus rapide que linéaire.

    Si ff est de classe C2C^2 et f(l)=0f'(l)=0, on peut utiliser un développement de Taylor-Lagrange :

    f(un)f(l)=f(l)(unl)+f(dn)2(unl)2f(u_n) - f(l) = f'(l)(u_n-l) + \frac{f''(d_n)}{2}(u_n-l)^2 pour un dnd_n entre unu_n et ll.

    un+1l=f(dn)2(unl)2u_{n+1} - l = \frac{f''(d_n)}{2}(u_n-l)^2.

    Alors un+1l(unl)2f(l)2\frac{u_{n+1}-l}{(u_n-l)^2} \to \frac{f''(l)}{2}.

    L’erreur à une étape est proportionnelle au carré de l’erreur précédente. C’est une convergence quadratique (ou d’ordre 2), beaucoup plus rapide. C’est le principe de la méthode de Newton.

Réponse:

  1. La majoration unlLnu0l|u_n - l| \le L^n |u_0 - l| et le fait que L[0,1)L \in [0, 1) prouvent la convergence de (un)(u_n) vers ll.
  2. Par le théorème des accroissements finis, on montre que un+1lunl=f(cn)\frac{u_{n+1}-l}{u_n-l} = f'(c_n) avec cnlc_n \to l. Par continuité de ff', la limite du rapport est f(l)f'(l).
  3. Le résultat indique une convergence linéaire avec un taux f(l)|f'(l)|. Si f(l)=0f'(l) = 0, la convergence est plus rapide, souvent quadratique si f(l)0f''(l) \neq 0.

Exercise 8: [Preuve Complexe]

Problème: Soit (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite bornée de nombres réels. On suppose que l’ensemble de ses valeurs d’adhérence est un singleton {l}\{l\}. Démontrer que la suite (un)(u_n) converge vers ll.

Solution

Méthode: Le raisonnement par l’absurde est la technique la plus naturelle ici. On suppose que la suite ne converge pas vers ll. Cela nous permet de construire une sous-suite qui reste “à distance” de ll. Comme la suite de départ est bornée, cette nouvelle sous-suite l’est aussi. Le théorème de Bolzano-Weierstrass nous garantit alors l’existence d’une sous-sous-suite qui converge. Sa limite sera une valeur d’adhérence de la suite initiale, mais elle ne peut pas être ll, ce qui contredit l’hypothèse.

Étapes:

  1. Hypothèse et négation :

    • H1 : (un)(u_n) est une suite bornée.
    • H2 : L’ensemble des valeurs d’adhérence de (un)(u_n) est {l}\{l\}.
    • Conclusion à prouver : limnun=l\lim_{n \to \infty} u_n = l.
  2. Raisonnement par l’absurde :

    Supposons que (un)(u_n) ne converge pas vers ll.

    La négation de la convergence est :

    ¬(ϵ>0,NN,nN,unlϵ)\neg(\forall \epsilon > 0, \exists N \in \mathbb{N}, \forall n \ge N, |u_n - l| \le \epsilon)

    ϵ0>0,NN,nN,unl>ϵ0\Leftrightarrow \exists \epsilon_0 > 0, \forall N \in \mathbb{N}, \exists n \ge N, |u_n - l| > \epsilon_0.

  3. Construction d’une sous-suite :

    L’affirmation ci-dessus nous permet de construire une sous-suite (uϕ(k))(u_{\phi(k)}) qui reste à l’écart de ll.

    • Pour N=0N=0, il existe un indice ϕ(0)0\phi(0) \ge 0 tel que uϕ(0)l>ϵ0|u_{\phi(0)} - l| > \epsilon_0.
    • Pour N=ϕ(0)+1N=\phi(0)+1, il existe un indice ϕ(1)ϕ(0)+1\phi(1) \ge \phi(0)+1 tel que uϕ(1)l>ϵ0|u_{\phi(1)} - l| > \epsilon_0.
    • Par récurrence, ayant construit ϕ(k1)\phi(k-1), on choisit N=ϕ(k1)+1N=\phi(k-1)+1. Il existe un indice ϕ(k)ϕ(k1)+1\phi(k) \ge \phi(k-1)+1 tel que uϕ(k)l>ϵ0|u_{\phi(k)} - l| > \epsilon_0.

    La fonction ϕ:NN\phi: \mathbb{N} \to \mathbb{N} est strictement croissante. On a donc construit une sous-suite (uϕ(k))kN(u_{\phi(k)})_{k \in \mathbb{N}} telle que kN,uϕ(k)l>ϵ0\forall k \in \mathbb{N}, |u_{\phi(k)} - l| > \epsilon_0.

  4. Application de Bolzano-Weierstrass :

    La suite initiale (un)(u_n) est bornée (H1). Toute sous-suite d’une suite bornée est elle-même bornée. Donc la sous-suite (uϕ(k))(u_{\phi(k)}) est bornée.

    D’après le théorème de Bolzano-Weierstrass, on peut extraire de (uϕ(k))(u_{\phi(k)}) une sous-suite convergente. Notons-la (uϕ(ψ(j)))jN(u_{\phi(\psi(j))})_{j \in \mathbb{N}} et sa limite ll'.

    l=limjuϕ(ψ(j))l' = \lim_{j \to \infty} u_{\phi(\psi(j))}.

  5. Contradiction :

    La suite (uϕ(ψ(j)))(u_{\phi(\psi(j))}) est une sous-suite de (un)(u_n). Sa limite ll' est donc, par définition, une valeur d’adhérence de la suite (un)(u_n).

    Par l’hypothèse H2, l’ensemble des valeurs d’adhérence est {l}\{l\}. On doit donc avoir l=ll' = l.

    Cependant, la sous-suite (uϕ(k))(u_{\phi(k)}) a été construite de telle sorte que tous ses termes vérifient uϕ(k)l>ϵ0|u_{\phi(k)} - l| > \epsilon_0.

    Ceci est vrai aussi pour la sous-sous-suite : jN,uϕ(ψ(j))l>ϵ0\forall j \in \mathbb{N}, |u_{\phi(\psi(j))} - l| > \epsilon_0.

    En passant à la limite quand jj \to \infty, on obtient llϵ0|l' - l| \ge \epsilon_0.

    Comme ϵ0>0\epsilon_0 > 0, cela implique lll' \neq l.

    Nous avons donc une contradiction : l=ll'=l et lll' \neq l.

  6. Conclusion :

    La supposition initiale que (un)(u_n) ne converge pas vers ll est fausse. Par conséquent, (un)(u_n) converge vers ll.

Réponse: La démonstration par l’absurde, en construisant une sous-suite qui reste à distance de ll et en utilisant le théorème de Bolzano-Weierstrass pour en extraire une sous-suite convergente, mène à une contradiction sur la nature de la valeur d’adhérence unique, prouvant ainsi que la suite originale converge vers ll.

Exercise 9: [Investigation Théorique]

Problème: Soient (un)(u_n) et (vn)(v_n) deux suites réelles bornées.

  1. Démontrer l’inégalité lim supn(un+vn)lim supnun+lim supnvn\limsup_{n \to \infty} (u_n + v_n) \le \limsup_{n \to \infty} u_n + \limsup_{n \to \infty} v_n.
  2. Donner un exemple où l’inégalité est stricte.
  3. Démontrer que si la suite (un)(u_n) converge vers une limite ll, alors l’égalité a lieu : lim supn(un+vn)=l+lim supnvn\limsup_{n \to \infty} (u_n + v_n) = l + \limsup_{n \to \infty} v_n.
Solution

Méthode: La démonstration repose sur les propriétés de la borne supérieure. Pour la première partie, on majore sup(A+B)\sup(A+B) par sup(A)+sup(B)\sup(A)+\sup(B). Pour la troisième partie, on démontre les deux inégalités, en utilisant la définition de la convergence de (un)(u_n).

Étapes:

  1. Démonstration de l’inégalité :

    Soit knk \ge n. Pour tout jkj \ge k, on a uj+vjsupikui+supikviu_j + v_j \le \sup_{i \ge k} u_i + \sup_{i \ge k} v_i.

    Le terme de droite est un majorant de l’ensemble {uj+vjjk}\{u_j+v_j \mid j \ge k\}.

    Par définition de la borne supérieure, on a donc :

    supjk(uj+vj)supikui+supikvi\sup_{j \ge k} (u_j + v_j) \le \sup_{i \ge k} u_i + \sup_{i \ge k} v_i.

    Cette inégalité est vraie pour tout knk \ge n. Posons Sku=supikuiS_k^u = \sup_{i \ge k} u_i, Skv=supikviS_k^v = \sup_{i \ge k} v_i et Sku+v=supjk(uj+vj)S_k^{u+v} = \sup_{j \ge k} (u_j+v_j).

    On a Sku+vSku+SkvS_k^{u+v} \le S_k^u + S_k^v.

    Par définition, lim supun=limkSku\limsup u_n = \lim_{k \to \infty} S_k^u, lim supvn=limkSkv\limsup v_n = \lim_{k \to \infty} S_k^v, et lim sup(un+vn)=limkSku+v\limsup (u_n+v_n) = \lim_{k \to \infty} S_k^{u+v}.

    En passant à la limite quand kk \to \infty dans l’inégalité Sku+vSku+SkvS_k^{u+v} \le S_k^u + S_k^v, et en utilisant la compatibilité de la limite avec l’ordre et la somme, on obtient :

    limkSku+vlimkSku+limkSkv\lim_{k \to \infty} S_k^{u+v} \le \lim_{k \to \infty} S_k^u + \lim_{k \to \infty} S_k^v.

    Soit lim sup(un+vn)lim supun+lim supvn\limsup (u_n+v_n) \le \limsup u_n + \limsup v_n.

  2. Exemple d’inégalité stricte :

    Soit un=(1)nu_n = (-1)^n et vn=(1)n+1=(1)nv_n = (-1)^{n+1} = -(-1)^n.

    L’ensemble des valeurs de (un)(u_n) est {1,1}\{-1, 1\}. Pour tout kk, supikui=1\sup_{i \ge k} u_i = 1. Donc lim supun=1\limsup u_n = 1.

    De même, lim supvn=1\limsup v_n = 1.

    La somme des limsups est 1+1=21+1=2.

    La suite somme est un+vn=(1)n+(1)n+1=0u_n+v_n = (-1)^n + (-1)^{n+1} = 0 pour tout nn.

    Donc lim sup(un+vn)=lim0=0\limsup (u_n+v_n) = \lim 0 = 0.

    On a bien 0<20 < 2.

  3. Cas où (un)(u_n) converge :

    Soit limun=l\lim u_n = l. On a donc lim supun=lim infun=l\limsup u_n = \liminf u_n = l.

    On veut montrer lim sup(un+vn)=l+lim supvn\limsup(u_n + v_n) = l + \limsup v_n.

    • Inégalité \le : D’après la question 1, lim sup(un+vn)lim supun+lim supvn=l+lim supvn\limsup (u_n+v_n) \le \limsup u_n + \limsup v_n = l + \limsup v_n.

    • Inégalité \ge : Soit Lv=lim supvnL_v = \limsup v_n. Il existe une sous-suite (vϕ(k))(v_{\phi(k)}) qui converge vers LvL_v.

      La sous-suite correspondante (uϕ(k))(u_{\phi(k)}) converge vers ll (car toute sous-suite d’une suite convergente converge vers la même limite).

      Donc la sous-suite (uϕ(k)+vϕ(k))(u_{\phi(k)} + v_{\phi(k)}) converge vers l+Lvl+L_v.

      Ceci prouve que l+Lvl+L_v est une valeur d’adhérence de la suite (un+vn)(u_n+v_n).

      La limite supérieure est la plus grande des valeurs d’adhérence. Donc, lim sup(un+vn)l+Lv=l+lim supvn\limsup(u_n+v_n) \ge l+L_v = l+\limsup v_n.

    Les deux inégalités étant prouvées, on a l’égalité.

Réponse:

  1. La démonstration est effectuée en utilisant la propriété sup(A+B)sup(A)+sup(B)\sup(A+B) \le \sup(A)+\sup(B) sur les queues de suites, puis en passant à la limite.
  2. Pour un=(1)nu_n = (-1)^n et vn=(1)n+1v_n = (-1)^{n+1}, on a lim sup(un+vn)=0\limsup(u_n+v_n) = 0 et lim supun+lim supvn=2\limsup u_n + \limsup v_n = 2.
  3. Lorsque (un)(u_n) converge vers ll, l’inégalité lim sup(un+vn)l+lim supvn\limsup (u_n+v_n) \le l + \limsup v_n est un cas particulier de la première question. L’inégalité inverse est prouvée en exhibant une sous-suite de (un+vn)(u_n+v_n) qui converge vers l+lim supvnl+\limsup v_n.

Exercise 10: [Application Avancée]

Problème: Soit anzn\sum a_n z^n une série entière avec anCa_n \in \mathbb{C}. Le but est de prouver la formule de Hadamard pour le rayon de convergence RR: 1R=lim supnann\frac{1}{R} = \limsup_{n \to \infty} \sqrt[n]{|a_n|} (avec les conventions 1/0=+1/0 = +\infty et 1/=01/\infty = 0).

Soit L=lim supnannL = \limsup_{n \to \infty} \sqrt[n]{|a_n|}.

  1. On suppose 0<L<+0 < L < +\infty. Montrer que pour tout zz tel que z<1/L|z| < 1/L, la série anzn\sum a_n z^n converge absolument.
  2. Montrer que pour tout zz tel que z>1/L|z| > 1/L, le terme général anzna_n z^n ne tend pas vers 0, et donc la série diverge.
  3. Conclure que R=1/LR = 1/L et traiter les cas limites L=0L=0 et L=+L=+\infty.
Solution

Méthode: Cet exercice fondamental lie la notion de limite supérieure à un concept central de l’analyse complexe. La preuve utilise la caractérisation de la limsup en termes d’inégalités. Pour la convergence, on majore le terme général par celui d’une série géométrique. Pour la divergence, on montre que le terme général est non borné.

Étapes:

  1. Convergence pour z<1/L|z|<1/L :

    Soit zz tel que z<1/L|z| < 1/L. Cela équivaut à L<1/zL < 1/|z|.

    Posons ϵ=12(1/zL)>0\epsilon = \frac{1}{2} (1/|z| - L) > 0.

    Par la caractérisation de la limite supérieure, puisque L+ϵ<1/zL+\epsilon < 1/|z|, il existe un rang NNN \in \mathbb{N} tel que pour tout nNn \ge N :

    ann<L+ϵ\sqrt[n]{|a_n|} < L+\epsilon.

    En élevant à la puissance nn, on a an<(L+ϵ)n|a_n| < (L+\epsilon)^n.

    Donc, anzn=anzn<(L+ϵ)nzn=((L+ϵ)z)n|a_n z^n| = |a_n| |z|^n < (L+\epsilon)^n |z|^n = ((L+\epsilon)|z|)^n.

    Soit q=(L+ϵ)zq = (L+\epsilon)|z|. Par construction de ϵ\epsilon, L+ϵ=12(L+1/z)L+\epsilon = \frac{1}{2}(L+1/|z|), donc q=12(Lz+1)<12(1+1)=1q = \frac{1}{2}(L|z|+1) < \frac{1}{2}(1+1)=1.

    Ainsi, anzn<qn|a_n z^n| < q^n avec q[0,1)q \in [0, 1).

    La série anzn\sum |a_n z^n| est majorée par une série géométrique convergente. Par le critère de comparaison, la série anzn\sum a_n z^n converge absolument.

    Ceci étant vrai pour tout zz tel que z<1/L|z| < 1/L, on a R1/LR \ge 1/L.

  2. Divergence pour z>1/L|z|>1/L :

    Soit zz tel que z>1/L|z| > 1/L. Cela équivaut à L>1/zL > 1/|z|.

    Par la caractérisation de la limite supérieure, pour tout ϵ>0\epsilon > 0, il existe une infinité d’indices nn tels que ann>Lϵ\sqrt[n]{|a_n|} > L-\epsilon.

    Choisissons ϵ=12(L1/z)>0\epsilon = \frac{1}{2}(L-1/|z|) > 0.

    Il existe une infinité d’indices nn (formant une sous-suite) pour lesquels :

    ann>Lϵ=L12(L1/z)=12(L+1/z)>1/z\sqrt[n]{|a_n|} > L-\epsilon = L - \frac{1}{2}(L-1/|z|) = \frac{1}{2}(L+1/|z|) > 1/|z|.

    Pour ces indices, an>(1/z)n|a_n| > (1/|z|)^n.

    Donc, anzn=anzn>(1/z)nzn=1|a_n z^n| = |a_n||z|^n > (1/|z|)^n |z|^n = 1.

    Le terme général de la série ne tend pas vers 0 (il est même de module supérieur à 1 pour une infinité d’indices). La série anzn\sum a_n z^n diverge donc grossièrement.

    Ceci étant vrai pour tout zz tel que z>1/L|z|>1/L, on a R1/LR \le 1/L.

  3. Conclusion :

    Des deux points précédents, on conclut que R=1/LR = 1/L.

    Cas L=0L=0 :

    La preuve du 1) s’adapte : pour tout z0z \neq 0, choisissons ϵ=1/(2z)\epsilon = 1/(2|z|). Pour nNn \ge N, ann<ϵ\sqrt[n]{|a_n|} < \epsilon, donc anzn<(ϵz)n=(1/2)n|a_n z^n| < (\epsilon|z|)^n = (1/2)^n. La série converge pour tout zz. Le rayon de convergence est R=+R=+\infty. La formule 1/L=1/0=+1/L = 1/0 = +\infty est cohérente.

    Cas L=+L=+\infty :

    La preuve du 2) s’adapte : pour tout z0z \neq 0, choisissons un réel M>1/zM > 1/|z|. Comme lim supann=+\limsup \sqrt[n]{|a_n|} = +\infty, il existe une infinité d’indices nn tels que ann>M>1/z\sqrt[n]{|a_n|} > M > 1/|z|. Pour ces indices, anzn>1|a_n z^n| > 1. La série diverge pour tout z0z \neq 0. Le rayon de convergence est R=0R=0. La formule 1/L=1/=01/L = 1/\infty = 0 est cohérente.

Réponse: La formule de Hadamard R=1/lim supannR = 1/\limsup \sqrt[n]{|a_n|} est prouvée en montrant que pour z<1/L|z|<1/L, la série converge (par comparaison à une série géométrique) et pour z>1/L|z|>1/L, la série diverge (car son terme général ne tend pas vers 0).

Exercise 11: [Preuve Complexe]

Problème: Soit (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite dans R\mathbb{R}. On note AA l’ensemble de ses valeurs d’adhérence. Démontrer que l’ensemble AA est un ensemble fermé de R\mathbb{R}.

Solution

Méthode: Pour prouver qu’un ensemble est fermé, on utilise la caractérisation séquentielle : un ensemble FF est fermé si et seulement si toute suite d’éléments de FF qui converge a sa limite dans FF. On va donc considérer une suite de valeurs d’adhérence qui converge et montrer que sa limite est elle-même une valeur d’adhérence de la suite initiale. Ceci se fait par une construction “diagonale”.

Étapes:

  1. Caractérisation séquentielle de la fermeture :

    Soit (lk)kN(l_k)_{k \in \mathbb{N}} une suite d’éléments de AA (donc lkl_k est une valeur d’adhérence de (un)(u_n) pour tout kk).

    On suppose que cette suite (lk)(l_k) converge vers une limite lRl \in \mathbb{R}.

    Nous devons montrer que lAl \in A, c’est-à-dire que ll est aussi une valeur d’adhérence de (un)(u_n).

  2. Définition d’une valeur d’adhérence :

    Pour montrer que lAl \in A, nous devons construire une sous-suite de (un)(u_n) qui converge vers ll.

    Pour chaque kNk \in \mathbb{N}, lkAl_k \in A. Cela signifie qu’il existe une sous-suite de (un)(u_n) qui converge vers lkl_k.

    Donc, pour chaque kk, on peut trouver des indices de la suite (un)(u_n) dont les termes sont aussi proches que l’on veut de lkl_k.

  3. Construction de la sous-suite (argument diagonal) :

    Nous allons construire une sous-suite (uϕ(k))(u_{\phi(k)}) qui converge vers ll.

    • Pour k=0 :

      Puisque l0l_0 est une valeur d’adhérence de (un)(u_n), il existe un indice ϕ(0)\phi(0) tel que uϕ(0)l0<1|u_{\phi(0)} - l_0| < 1.

    • Pour k=1 :

      Puisque l1l_1 est une valeur d’adhérence de (un)(u_n), il existe un indice ϕ(1)>ϕ(0)\phi(1) > \phi(0) tel que uϕ(1)l1<1/2|u_{\phi(1)} - l_1| < 1/2.

    • Pour k=2 :

      Puisque l2l_2 est une valeur d’adhérence de (un)(u_n), il existe un indice ϕ(2)>ϕ(1)\phi(2) > \phi(1) tel que uϕ(2)l2<1/3|u_{\phi(2)} - l_2| < 1/3.

    • Par récurrence, pour k :

      Ayant choisi ϕ(k1)\phi(k-1), puisque lkl_k est une valeur d’adhérence, il existe un indice ϕ(k)>ϕ(k1)\phi(k) > \phi(k-1) tel que uϕ(k)lk<1/(k+1)|u_{\phi(k)} - l_k| < 1/(k+1).

    Cette construction nous donne une application ϕ:NN\phi: \mathbb{N} \to \mathbb{N} strictement croissante, et donc une sous-suite (uϕ(k))(u_{\phi(k)}).

  4. Montrer que la sous-suite converge vers ll :

    On veut montrer que limkuϕ(k)=l\lim_{k \to \infty} u_{\phi(k)} = l.

    On utilise l’inégalité triangulaire :

    uϕ(k)l=uϕ(k)lk+lkluϕ(k)lk+lkl|u_{\phi(k)} - l| = |u_{\phi(k)} - l_k + l_k - l| \le |u_{\phi(k)} - l_k| + |l_k - l|.

    Par construction, on a uϕ(k)lk<1/(k+1)|u_{\phi(k)} - l_k| < 1/(k+1). Donc, limkuϕ(k)lk=0\lim_{k \to \infty} |u_{\phi(k)} - l_k| = 0.

    Par hypothèse, on a limklk=l\lim_{k \to \infty} l_k = l, donc limklkl=0\lim_{k \to \infty} |l_k - l| = 0.

    La somme de deux suites qui tendent vers 0 tend aussi vers 0. Donc :

    limkuϕ(k)l=0\lim_{k \to \infty} |u_{\phi(k)} - l| = 0.

    Ceci prouve que la sous-suite (uϕ(k))(u_{\phi(k)}) converge vers ll.

  5. Conclusion :

    Nous avons construit une sous-suite de (un)(u_n) qui converge vers ll. Par définition, ll est une valeur d’adhérence de (un)(u_n), donc lAl \in A.

    Puisque toute suite convergente d’éléments de AA a sa limite dans AA, l’ensemble AA est fermé.

Réponse: En utilisant la caractérisation séquentielle des ensembles fermés, on considère une suite convergente (lk)(l_k) de valeurs d’adhérence. Par un argument de construction diagonale, on exhibe une sous-suite de la suite originale (un)(u_n) qui converge vers la limite des lkl_k, prouvant que cette limite est elle-même une valeur d’adhérence. L’ensemble des valeurs d’adhérence est donc fermé.