Démonstration par l'absurde - Exercice 5

20 min
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Un classique de l'Analyse concernant les suites numériques réelles.
Question 1

Soit (un)n∈N\left( u_n \right)_{n \in \mathbb{N}} une suite numérique réelle, supposée convergente.
Soit (vn)n∈N\left( v_n \right)_{n \in \mathbb{N}} une suite numérique réelle, telle que son terme principal vnv_n soit donné par vn=un+(−1)nv_n = u_n + (-1)^n.
Démontrer, en raisonnant par l'absurde, que la suite numérique réelle (vn)n∈N\left( v_n \right)_{n \in \mathbb{N}} est divergente.

Correction
Effectuons un raisonnement par l'absurde.
Posons l'hypothèse initiale suivante : la suite numérique réelle (vn)n∈N\left( v_n \right)_{n \in \mathbb{N}} est convergente.
On sait que vn=un+(−1)nv_n = u_n + (-1)^n, ce qui permet d'écrire que vn−un=(−1)nv_n - u_n = (-1)^n. Or, vn−unv_n - u_n est le terme général de la suite (un−vn)n∈N=(un)n∈N−(vn)n∈N\left( u_n - v_n\right)_{n \in \mathbb{N}} = \left( u_n \right)_{n \in \mathbb{N}} - \left( v_n \right)_{n \in \mathbb{N}}.
Or, on sait que la soustraction de deux suites convergentes constitue une suite également convergente. Donc la suite (un−vn)n∈N\left( u_n - v_n\right)_{n \in \mathbb{N}} converge.
Or, on a vn−un=(−1)nv_n - u_n = (-1)^n, et donc (un−vn)n∈N=((−1)n)n∈N\left( u_n - v_n\right)_{n \in \mathbb{N}} = \left( (-1)^n \right)_{n \in \mathbb{N}}. Mais (−1)n(-1)^n est un terme oscillant avec nn. Autrement dit le signe du terme général (−1)n(-1)^n dépend de nn. Le terme (−1)n(-1)^n est positif si nn est pair, et négatif lorsque nn est impair.
En conséquence, la suite numérique réelle ((−1)n)n∈N\left( (-1)^n \right)_{n \in \mathbb{N}} est oscillante, donc non convergente, donc divergente. De fait, la suite (un−vn)n∈N=((−1)n)n∈N\left( u_n - v_n\right)_{n \in \mathbb{N}} = \left( (-1)^n \right)_{n \in \mathbb{N}} est divergente.
On conste donc une contradiction avec la théorie générale des suites numériques réelle. En effet, sous l'hypothèse initiale, nous constatons que la suite (un−vn)n∈N\left( u_n - v_n\right)_{n \in \mathbb{N}} diverge alors qu'elle devrait-être convergente.
On aboutit donc, sous la l'hypothèse initiale "la suite numérique réelle (vn)n∈N\left( v_n \right)_{n \in \mathbb{N}} est convergente", à une contradiction. On en déduit alors que l'hypothèse initiale est de vérité fausse (F)(F).
En conclusion, on a bien démontrer que la suite numérique réelle (vn)n∈N\left( v_n \right)_{n \in \mathbb{N}} est divergente. ■{\color{blue}{\blacksquare}}
▶  Remarque:{\color{blue}{\bf{\blacktriangleright \,\, Remarque :}}}
Deux suites (un)n∈N\left( u_n \right)_{n \in \mathbb{N}} et (vn)n∈N\left( v_n \right)_{n \in \mathbb{N}} qui vérifient lim⁡n⟶+∞(un−vn)=0\displaystyle{ \lim_{n \longrightarrow + \infty} (u_n - v_n ) = 0} s'appellent des suites adjacentes.

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