Théorème de comparaison - Exercice 2

15 min
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Déterminer les limites des suites (un)(u_{n}) suivantes :
Question 1

un=(−1)n+n+2u_{n} =\left(-1\right)^{n} +n+2

Correction
Pour tout entier naturel nn, on sait que :
−1≤(−1)n≤1-1\le \left(-1\right)^{n} \le 1 équivaut successivement à :
−1+n+2≤(−1)n+n+2≤1+n+2-1+n+2\le \left(-1\right)^{n} +n+2\le 1+n+2
n+1≤un≤n+3n+1\le u_{n} \le n+3
D’une part :\red{\text{D'une part :}} lim⁡n→+∞n+1=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } n+1=+\infty
D’autre part :\red{\text{D'autre part :}} lim⁡n→+∞n+3=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } n+3=+\infty
Attention, ici on n'applique pas le théorème des gendarmes car les limites ne sont pas des valeurs finies.
On va garder l'inégalité de gauche, ce qui donne : n+1≤unn+1\le u_{n}
Comme lim⁡n→+∞n+1=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } n+1=+\infty et un≥n+1u_{n} \ge n+1 alors d'après le théorème de comparaison
lim⁡n→+∞un=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n}=+\infty
Question 2

un=cos⁡(n)−2nu_{n} =\cos \left(n\right)-2n

Correction
Pour tout entier naturel nn, on sait que :
−1≤cos⁡(n)≤1-1\le \cos \left(n\right)\le 1 équivaut successivement à :
−1−2n≤cos⁡(n)−2n≤1−2n-1-2n\le \cos \left(n\right)-2n\le 1-2n
−1−2n≤un≤1−2n-1-2n\le u_{n} \le 1-2n
D’une part :\red{\text{D'une part :}} lim⁡n→+∞−1−2n=−∞\lim\limits_{n\to +\infty } -1-2n=-\infty
D’autre part :\red{\text{D'autre part :}} lim⁡n→+∞1−2n=−∞\lim\limits_{n\to +\infty } 1-2n=-\infty
Attention, ici on n'applique pas le théorème des gendarmes car les limites ne sont pas des valeurs finies.
On va garder l'inégalité de droite, ce qui donne : un≤1−2nu_{n} \le 1-2n
Comme lim⁡n→+∞1−2n=−∞\lim\limits_{n\to +\infty } 1-2n=-\infty et un≤1−2nu_{n} \le 1-2n alors d'après le théorème de comparaison
lim⁡n→+∞un=−∞\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n}=-\infty
Question 3

un=sin⁡(n)+n2n+1u_{n} =\frac{\sin \left(n\right)+n^{2} }{n+1}

Correction
Pour tout entier naturel nn, on sait que :
−1≤sin⁡(n)≤1-1\le \sin \left(n\right)\le 1 équivaut successivement à :
−1+n2≤sin⁡(n)+n2≤1+n2-1+n^{2}\le \sin \left(n\right)+n^{2} \le 1+n^{2} , on va ensuite diviser par n+1n+1 qui est strictement positif
−1+n2n+1≤sin⁡(n)+n2n+1≤1+n2n+1\frac{-1+n^{2} }{n+1} \le \frac{\sin \left(n\right)+n^{2} }{n+1} \le \frac{1+n^{2} }{n+1}
−1+n2n+1≤un≤1+n2n+1\frac{-1+n^{2} }{n+1} \le u_{n} \le \frac{1+n^{2} }{n+1}
Dans un premier temps :\text{\blue{Dans un premier temps :}} Calculons lim⁡n→+∞−1+n2n+1\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n^{2} }{n+1}
lim⁡n→+∞−1+n2=+∞lim⁡n→+∞n+1=+∞}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{n\to +\infty } -1+n^{2}} & {=} & {+\infty } \\ {\lim\limits_{n\to +\infty } n+1} & {=} & {+\infty } \end{array}\right\} on obtient une forme indéterminée ∞∞\frac{\infty }{\infty }
On va factoriser le numeˊrateur par le monoˆme de plus haut degreˊ c’est aˋ dire par \red{\text{On va factoriser le numérateur par le monôme de plus haut degré c'est à dire par }} n2\red{n^2}  et le deˊnominateur par le monoˆme de plus haut degreˊ c’est aˋ dire par \red{\text{ et le dénominateur par le monôme de plus haut degré c'est à dire par }} n\red{n}
lim⁡n→+∞−1+n2n+1=lim⁡n→+∞n2(−1+n2n2)n(n+1n)\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n^{2} }{n+1} =\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{n^{2} \left(\frac{-1+n^{2} }{n^{2} } \right)}{n\left(\frac{n+1}{n} \right)}
lim⁡n→+∞−1+n2n+1=lim⁡n→+∞n2(−1n2+n2n2)n(nn+1n)\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n^{2} }{n+1} =\mathop{\lim }\limits_{n\to +\infty } \frac{n^{2} \left(-\frac{1}{n^{2} } +\frac{n^{2} }{n^{2} } \right)}{n\left(\frac{n}{n} +\frac{1}{n} \right)}
lim⁡n→+∞−1+n2n+1=lim⁡n→+∞n2(−1n2+1)n(1+1n)\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n^{2} }{n+1} =\mathop{\lim }\limits_{n\to +\infty } \frac{n^{2} \left(-\frac{1}{n^{2} } +1\right)}{n\left(1+\frac{1}{n} \right)} . Nous allons simplifier le numérateur et le dénominateur par nn .
lim⁡n→+∞−1+n2n+1=lim⁡n→+∞n(−1n2+1)1+1n\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n^{2} }{n+1} =\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{n\left(\frac{-1}{n^{2} } +1\right)}{1+\frac{1}{n} }
lim⁡n→+∞n(−1n2+1)=+∞lim⁡n→+∞1+1n=1}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{n\to +\infty } n\left(\frac{-1}{n^{2} } +1\right)} & {=} & {+\infty } \\ {\lim\limits_{n\to +\infty } 1+\frac{1}{n} } & {=} & {1} \end{array}\right\} par quotient\red{\text{par quotient}} lim⁡n→+∞n(−1n2+1)1+1n=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{n\left(\frac{-1}{n^{2} } +1\right)}{1+\frac{1}{n} } =+\infty
Finalement : lim⁡n→+∞−1+n2n+1=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n^{2} }{n+1} =+\infty
Dans un deuxieˋme temps :\text{\blue{Dans un deuxième temps :}} nous effectuons les mêmes étapes pour calculer lim⁡n→+∞1+n2n+1\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{1+n^{2} }{n+1} , nous obtiendrons lim⁡n→+∞1+n2n+1=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{1+n^{2} }{n+1} =+\infty
Attention, ici on n'applique pas le théorème des gendarmes car les limites ne sont pas des valeurs finies.
On va garder l'inégalité de gauche, ce qui donne : −1+n2n+1≤un\frac{-1+n^{2} }{n+1} \le u_{n}
Comme lim⁡n→+∞−1+n2n+1=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{-1+n^{2} }{n+1} =+\infty et un≥−1+n2n+1u_{n} \ge \frac{-1+n^{2} }{n+1} alors d'après le théorème de comparaison
lim⁡n→+∞un=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n}=+\infty
Question 4

un=n2+(−1)nnu_{n} =n^{2} +\left(-1\right)^{n} n

Correction
Pour tout entier naturel nn, on sait que :
−1≤(−1)n≤1-1\le \left(-1\right)^{n} \le 1 équivaut successivement à :
−n≤(−1)nn≤n-n\le \left(-1\right)^{n} n \le n
n2−n≤n2+(−1)nn≤n2+nn^{2} -n\le n^{2} +\left(-1\right)^{n} n \le n^{2} +n
n2−n≤un≤n2+nn^{2} -n\le u_n \le n^{2} +n
Or : lim⁡n→+∞n2−n=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } n^{2} -n =+\infty et lim⁡n→+∞n2+n=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } n^{2} +n =+\infty
Attention, ici on n'applique pas le théorème des gendarmes car les limites ne sont pas des valeurs finies.
On va garder l'inégalité de gauche, ce qui donne : n2−n≤unn^{2} -n \le u_{n}
Comme lim⁡n→+∞n2−n=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } n^{2} -n =+\infty et un≥n2−nu_{n} \ge n^{2} -n alors d'après le théorème de comparaison
lim⁡n→+∞un=+∞\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n}=+\infty
Question 5

un=−2n−(−1)nu_{n} =-2n-\left(-1\right)^{n}

Correction
Pour tout entier naturel nn, on a :
−1≤(−1)n≤1-1\le \left(-1\right)^{n} \le 1
1≥−(−1)n≥−11\ge -\left(-1\right)^{n} \ge -1 . Nous avons multiplié par −1-1 donc l'ordre n'est pas conservé.
−1≤−(−1)n≤1-1\le -\left(-1\right)^{n} \le 1
−2n−1≤−2n−(−1)n≤−2n+1-2n-1\le -2n-\left(-1\right)^{n} \le -2n+1
−2n−1≤un≤−2n+1-2n-1\le u_{n} \le -2n+1
D’une part :\red{\text{D'une part :}} lim⁡n→+∞−2n−1=−∞\lim\limits_{n\to +\infty }-2n-1=-\infty
D’autre part :\red{\text{D'autre part :}} lim⁡n→+∞−2n+1=−∞\lim\limits_{n\to +\infty } -2n+1=-\infty
Attention, ici on n'applique pas le théorème des gendarmes car les limites ne sont pas des valeurs finies.
On va garder l'inégalité de droite, ce qui donne : un≤−2n+1 u_{n}\le -2n+1
Comme lim⁡n→+∞−2n+1=−∞\lim\limits_{n\to +\infty }-2n+1=-\infty et un≤−2n+1 u_{n}\le -2n+1 alors d'après le théorème de comparaison
lim⁡n→+∞un=−∞\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n}=-\infty

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