Mathématiques · Glossaire

Qu'est-ce que « Limite d’une suite » ?

Définition 11.1 Mathématiques universitaires — Licence 1 · Chapitre 11 — Suites

Une suite (un)(u_n) de réels converge vers R\ell \in \R lorsque

ε>0, NN, nN,unε.\forall \varepsilon > 0,\ \exists N \in \N,\ \forall n \geq N, \qquad \abs{u_n - \ell} \leq \varepsilon .

On écrit unu_n \to \ell ou limun=\lim u_n = \ell. Une suite qui ne converge pas (vers aucun réel) diverge. Divergence vers ++\infty : M, N, nN, unM\forall M,\ \exists N,\ \forall n \geq N,\ u_n \geq M (de même pour -\infty).

Exemples

Exemple 11.2 (Une démonstration en ε\varepsilonNN, rédigée une fois)

Affirmation : un=n2+12n2312u_n = \dfrac{n^2 + 1}{2n^2 - 3} \to \dfrac12. Isolons d’abord l’erreur :

un12=2(n2+1)(2n23)2(2n23)=522n23=52(2n23)(n2).\Bigl| u_n - \frac12 \Bigr| = \Bigl| \frac{2(n^2 + 1) - (2n^2 - 3)}{2(2n^2 - 3)} \Bigr| = \frac{5}{2\,\abs{2n^2 - 3}} = \frac{5}{2\,(2n^2 - 3)} \quad (n \geq 2).

Puis dominons-la par quelque chose de simple : pour n2n \geq 2, 2n23n22n^2 - 3 \geq n^2, donc l’erreur est 52n252n\leq \frac{5}{2n^2} \leq \frac 5{2n}. Étant donné ε>0\varepsilon > 0, la propriété d’Archimède fournit Nmax(2,52ε)N \geq \max\bigl(2, \frac{5}{2\varepsilon}\bigr) ; pour nNn \geq N l’erreur est ε\leq \varepsilon. C’est fini. L’idée à retenir : une démonstration en ε\varepsilonNN comporte exactement trois gestes — calculer l’erreur, la majorer par une expression élémentaire décroissante, résoudre en le seuil — et après les théorèmes de ce chapitre (opérations, encadrement) on n’écrit pratiquement plus jamais une telle démonstration : les théorèmes emballent les trois gestes une fois pour toutes.

Exemple 11.3 (Divergence vers l’infini, certifiée)

Affirmation : un=n2100n+u_n = n^2 - 100n \to +\infty. Factorisons le terme dominant : un=n2(1100n)n22u_n = n^2\bigl(1 - \frac{100}{n}\bigr) \geq \frac{n^2}{2} pour n200n \geq 200. Étant donné MM, prenons N=max(200,2M)N = \max\bigl(200, \lceil\sqrt{2M}\rceil\bigr) : pour nNn \geq N, unn22Mu_n \geq \frac{n^2}{2} \geq M. Deux habitudes sont ici à l’œuvre : la factorisation par le terme dominant transforme une compétition (n2n^2 contre 100n-100n) en une seule échelle multipliée par un facteur tendant vers 11 ; et le seuil peut être énorme (u100=0u_{100} = 0, la suite est même négative avant n=100n = 100) — la divergence vers ++\infty est une assertion sur la queue, indifférente à toute quantité finie de mauvaise conduite.

Exemple 11.6 (Les opérations, plus une astuce algébrique)

Calculons lim(n2+nn)\lim\,\bigl(\sqrt{n^2 + n} - n\bigr). Les deux morceaux tendent séparément vers ++\infty : le théorème des opérations ne dit rien de leur différence (une forme indéterminée). Multiplions par la quantité conjuguée :

n2+nn=(n2+n)n2n2+n+n=nn2+n+n=11+1n+1.\sqrt{n^2 + n} - n = \frac{(n^2 + n) - n^2}{\sqrt{n^2 + n} + n} = \frac{n}{\sqrt{n^2+n} + n} = \frac{1}{\sqrt{1 + \frac1n} + 1} .

Maintenant tout converge : 1+1n1\sqrt{1 + \frac1n} \to 1, car 01+h1=h1+h+1h0 \leq \sqrt{1 + h} - 1 = \frac{h}{\sqrt{1+h} + 1} \leq h (conjuguée encore, puis encadrement avec h=1nh = \frac1n) ; le théorème des opérations donne alors la limite 11+1=12\frac{1}{1 + 1} = \frac12. L’idée à retenir : le théorème des opérations n’est pas une calculatrice universelle des limites — les formes indéterminées (\infty - \infty, 00\frac00, 0×0 \times \infty, 11^\infty) doivent d’abord être transformées par l’algèbre (quantités conjuguées, factorisation du terme dominant) jusqu’à ce que chaque morceau converge ; la machine systématique pour les cas résistants est le développement limité du Chapitre 16.

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