Exercices types : 11ère partie - Exercice 4

45 min
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On considère la fonction ff définie sur [0;+∞[\left[0;+\infty \right[ par f(x)=2x+3x+4f\left(x\right)=\frac{2x+3}{x+4} .
Question 1

Partie A
Calculer f′(x)f'\left(x\right) sur [0;+∞[\left[0;+\infty \right[

Correction
ff est dérivable sur [0;+∞[\left[0;+\infty \right[.
On reconnait la forme (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v} \right)^{'} =\frac{u'v-uv'}{v^{2} } avec u(x)=2x+3u\left(x\right)=2x+3 et v(x)=x+4v\left(x\right)=x+4.
Ainsi u′(x)=2u'\left(x\right)=2 et v′(x)=1v'\left(x\right)=1.
Il vient alors que :
f′(x)=2×(x+4)−(2x+3)×1(x+4)2f'\left(x\right)=\frac{2\times \left(x+4\right)-\left(2x+3\right)\times 1}{\left(x+4\right)^{2} } équivaut successivement à :
f′(x)=2x+8−2x−3(x+4)2f'\left(x\right)=\frac{2x+8-2x-3}{\left(x+4\right)^{2} }
f′(x)=5(x+4)2f'\left(x\right)=\frac{5}{\left(x+4\right)^{2} }
Question 2

En déduire les variations de ff sur [0;+∞[\left[0;+\infty \right[

Correction
Nous savons que : f′(x)=5(x+4)2f'\left(x\right)=\frac{5}{\left(x+4\right)^{2} }
Pour tout réel, le numérateur 55 est strictement positif ainsi que le dénominateur (x+4)2\left(x+4\right)^{2} est strictement positif.
Il en résulte que : f′(x)>0f'\left(x\right)>0.
Nous traduisons cela dans un tableau de variation :
Question 3
Partie B
Soit la suite (un)\left(u_{n} \right) définie par u0=0u_{0} =0 et un+1=2un+3un+4u_{n+1} =\frac{2u_{n} +3}{u_{n} +4} qui s'écrit également f(un)=un+1f\left(u_{n} \right)=u_{n+1}

Démontrer par récurrence que pour tout entier naturel n , on a 0≤un≤10\le u_{n} \le 1.

Correction
Pour tout entier naturel nn, posons la propriété Pn:0≤un≤1P_{n} :0\le u_{n} \le 1
Etape d'initialisation
On sait que u0=0u_{0} =0 et que 0≤u0≤10\le u_{0} \le 1 .
La propriété P0P_{0} est vraie.
Etape d'hérédité
On suppose qu'il existe un entier kk tel que la propriété PkP_{k} soit vraie c'est-à-dire 0≤uk≤10\le u_{k} \le 1 et vérifions si la propriété est également vraie au rang k+1k+1 c'est-à-dire 0≤uk+1≤10\le u_{k+1} \le 1
Par hypothèse de récurrence :
D'une part : uk≥0u_{k} \ge 0 donc 2uk+3≥02u_{k} +3\ge 0 et uk+4≥0u_{k} +4\ge 0 . Ainsi 2uk+3uk+4≥0\frac{2u_{k} +3}{u_{k} +4} \ge 0 donc uk+1≥0u_{k+1} \ge 0
D'autre part, calculons uk+1−1u_{k+1} -1 puis étudions le signe de uk+1−1u_{k+1} -1.
uk+1−1=2uk+3uk+4−1u_{k+1} -1=\frac{2u_{k} +3}{u_{k} +4} -1 équivaut successivement à :
uk+1−1=2uk+3uk+4−uk+4uk+4u_{k+1} -1=\frac{2u_{k} +3}{u_{k} +4} -\frac{u_{k} +4}{u_{k} +4}
uk+1−1=2uk+3−(uk+4)uk+4u_{k+1} -1=\frac{2u_{k} +3-\left(u_{k} +4\right)}{u_{k} +4}
uk+1−1=2uk+3−uk−4uk+4u_{k+1} -1=\frac{2u_{k} +3-u_{k} -4}{u_{k} +4}
uk+1−1=2uk+3−uk−4uk+4u_{k+1} -1=\frac{2u_{k} +3-u_{k} -4}{u_{k} +4}
uk+1−1=uk−1uk+4u_{k+1} -1=\frac{u_{k} -1}{u_{k} +4} , or par hypothèse de récurrence, on a 0≤uk≤10\le u_{k} \le 1.
Donc uk+4>0u_{k} +4>0 et uk−1≤0u_{k} -1\le 0, donc uk−1uk+4≤0\frac{u_{k} -1}{u_{k} +4} \le 0.
Finalement uk+1−1≤0u_{k+1} -1\le 0 d'où uk+1≤1u_{k+1} \le 1
On a montré que uk+1≥0u_{k+1} \ge 0 et uk+1≤1u_{k+1} \le 1, il vient alors que 0≤uk+1≤10\le u_{k+1} \le 1
Ainsi la propriété Pk+1P_{k+1} est vraie.
Conclusion
Puisque la propriété P0P_{0} est vraie et que nous avons prouvé l'hérédité, on peut en déduire, par le principe de récurrence que pour tout entier naturel nn, on a PnP_{n} vraie, c'est à dire que pour tout entier naturel nn, on a bien 0≤un≤10\le u_{n} \le 1 .
Question 4

Démontrer que la suite (un)\left(u_{n} \right) est bien définie et qu'elle est croissante.

Correction
  • On a montré que 0≤un≤10\le u_{n} \le 1 ce qui permet d'affirmer que un+1=2un+3un+4u_{n+1} =\frac{2u_{n} +3}{u_{n} +4} est bien définie car le dénominateur ne peut pas s'annuler.
  • Pour déterminer le sens de variation de la suite (un)\left(u_{n} \right), on va procéder par récurrence.

Tout d'abord, calculons u1=2u0+3u0+4=34u_{1} =\frac{2u_{0} +3}{u_{0} +4} =\frac{3}{4}
Pour tout entier naturel nn, posons la propriété Pn:un+1≥unP_{n} :u_{n+1} \ge u_{n} .
En effet si un+1≥unu_{n+1} \ge u_{n} alors un+1−un≥0u_{n+1} -u_{n} \ge 0, ce qui signifie que la suite (un)\left(u_{n} \right) est croissante.
Etape d'initialisation
On sait que u0=0u_{0} =0 et u1=34u_{1} =\frac{3}{4} ainsi u1≥u0u_{1} \ge u_{0} .
La propriété P0P_{0} est vraie.
Etape d'hérédité
On suppose qu'il existe un entier kk tel que la propriété PkP_{k} soit vraie c'est-à-dire uk+1≥uku_{k+1} \ge u_{k} et vérifions si la propriété est également vraie au rang k+1k+1 c'est-à-dire uk+2≥uk+1u_{k+2} \ge u_{k+1}
Par hypothèse de récurrence :
uk+1≥uku_{k+1} \ge u_{k} . Or la fonction ff est croissante sur [0;+∞[\left[0;+\infty \right[, ainsi
f(uk+1)≥f(uk)f\left(u_{k+1} \right)\ge f\left(u_{k} \right) , l'ordre est donc conservé.
uk+2≥uk+1u_{k+2} \ge u_{k+1}
Ainsi la propriété Pk+1P_{k+1} est vraie.
Conclusion
Puisque la propriété P0P_{0} est vraie et que nous avons prouvé l'hérédité, on peut en déduire, par le principe de récurrence que pour tout entier naturel nn, on a PnP_{n} vraie, c'est à dire que pour tout entier naturel nn, on a bien un+1≥unu_{n+1} \ge u_{n} . Autrement dit, la suite (un)\left(u_{n} \right) est croissante.
Question 5

Que peut-on en déduire ?

Correction
  • Une suite décroissante et minorée est convergente, elle admet donc une limite finie.
  • Une suite croissante et majorée est convergente, elle admet donc une limite finie.
La suite (un)\left(u_{n} \right) est croissante et majorée par 11.
Il en résulte que la suite (un)\left(u_{n} \right) est convergente vers une limite réelle notée ll.
Question 6
Partie C
On considère la suite (vn)\left(v_{n} \right) définie par : vn=un−1un+3v_{n} =\frac{u_{n} -1}{u_{n} +3} .
On admet que (vn)\left(v_{n} \right) est bien définie.

Démontrer que (vn)\left(v_{n} \right) est une suite géométrique.

Correction
vn=un−1un+3v_{n} =\frac{u_{n} -1}{u_{n} +3}
vn+1=un+1−1un+1+3v_{n+1} =\frac{u_{n+1} -1}{u_{n+1} +3}
vn+1=2un+3un+4−12un+3un+4+3v_{n+1} =\frac{\frac{2u_{n} +3}{u_{n} +4} -1}{\frac{2u_{n} +3}{u_{n} +4} +3}
vn+1=2un+3−(un+4)un+42un+3+3×(un+4)un+4v_{n+1} =\frac{\frac{2u_{n} +3-\left(u_{n} +4\right)}{u_{n} +4} }{\frac{2u_{n} +3+3\times \left(u_{n} +4\right)}{u_{n} +4} }
vn+1=2un+3−un−4un+42un+3+3un+12un+4v_{n+1} =\frac{\frac{2u_{n} +3-u_{n} -4}{u_{n} +4} }{\frac{2u_{n} +3+3u_{n} +12}{u_{n} +4} }
ABCB=AC\frac{\frac{A}{B} }{\frac{C}{B} } =\frac{A}{C}

vn+1=2un+3−un−42un+3+3un+12v_{n+1} =\frac{2u_{n} +3-u_{n} -4}{2u_{n} +3+3u_{n} +12}
vn+1=un−15un+15v_{n+1} =\frac{u_{n} -1}{5u_{n} +15}
vn+1=15(un−1un+3)v_{n+1} =\frac{1}{5} \left(\frac{u_{n} -1}{u_{n} +3} \right) .
Autrement dit :
vn+1=15vnv_{n+1} =\frac{1}{5} v_{n}

vnv_{n} est une suite géométrique de raison q=15q=\frac{1}{5} et de premier terme v0=u0−1u0+3=−13v_{0} =\frac{u_{0} -1}{u_{0} +3} =-\frac{1}{3}
Question 7

En déduire le terme général vnv_{n} en fonction de nn.

Correction
  • L'expression de vnv_{n} en fonction de nn est donnée par la formule
    vn=v0×qnv_{n} =v_{0} \times q^{n}
Ainsi :
vn=(−13)×(15)nv_{n} =\left(-\frac{1}{3} \right)\times \left(\frac{1}{5} \right)^{n}
Question 8

Déterminer l'expression de unu_{n} en fonction de vnv_{n} .

Correction
On sait que : vn=un−1un+3v_{n} =\frac{u_{n} -1}{u_{n} +3}
Ainsi : vn×(un+3)=un−1v_{n} \times \left(u_{n} +3\right)=u_{n} -1
vn×un+3×vn=un−1v_{n} \times u_{n} +3\times v_{n} =u_{n} -1
vn×un−un=−3×vn−1v_{n} \times u_{n} -u_{n} =-3\times v_{n} -1
un×(vn−1)=−3×vn−1u_{n} \times \left(v_{n} -1\right)=-3\times v_{n} -1
Ainsi :
un=−3vn−1vn−1u_{n} =\frac{-3v_{n} -1}{v_{n} -1}
Question 9

En déduire unu_{n} en fonction de nn.

Correction
Comme un=−3vn−1vn−1u_{n} =\frac{-3v_{n} -1}{v_{n} -1} et vn=(−13)×(15)nv_{n} =\left(-\frac{1}{3} \right)\times \left(\frac{1}{5} \right)^{n} , il en résulte que :
un=−3×(−13)×(15)n−1(−13)×(15)n−1u_{n} =\frac{-3\times \left(-\frac{1}{3} \right)\times \left(\frac{1}{5} \right)^{n} -1}{\left(-\frac{1}{3} \right)\times \left(\frac{1}{5} \right)^{n} -1}
Question 10

En déduire la limite de la suite (un)\left(u_{n} \right).

Correction
  • Si −1<q<1-1<q<1 alors lim⁡n→+∞qn=0\lim\limits_{n\to +\infty } q^{n} =0.
  • Si q>1 q >1 alors lim⁡n→+∞qn=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } q^{n} =+\infty.
Comme −1≤15≤1-1\le \frac{1}{5} \le 1 alors :
lim⁡n→+∞(15)n=0\lim\limits_{n\to +\infty } \left(\frac{1}{5} \right)^{n} =0 ainsi lim⁡n→+∞−3×(−13)×(15)n=0\lim\limits_{n\to +\infty } -3\times \left(-\frac{1}{3} \right)\times \left(\frac{1}{5} \right)^{n} =0 donc lim⁡n→+∞−3×(−13)×(15)n−1=−1\lim\limits_{n\to +\infty } -3\times \left(-\frac{1}{3} \right)\times \left(\frac{1}{5} \right)^{n} -1=-1
lim⁡n→+∞(15)n=0\lim\limits_{n\to +\infty } \left(\frac{1}{5} \right)^{n} =0 ainsi lim⁡n→+∞(−13)×(15)n=0\lim\limits_{n\to +\infty } \left(-\frac{1}{3} \right)\times \left(\frac{1}{5} \right)^{n} =0 donc lim⁡n→+∞(−13)×(15)n−1=−1\lim\limits_{n\to +\infty } \left(-\frac{1}{3} \right)\times \left(\frac{1}{5} \right)^{n} -1=-1
Ainsi : lim⁡n→+∞−3×(−13)×(15)n−1(−13)×(15)n−1=1\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-3\times \left(-\frac{1}{3} \right)\times \left(\frac{1}{5} \right)^{n} -1}{\left(-\frac{1}{3} \right)\times \left(\frac{1}{5} \right)^{n} -1} =1
Finalement :
lim⁡n→+∞un=1\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n} =1

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