Fiche de cours Logimaths

Fiche de cours : Suites arithmétiques et géométriques

+ r ou × q : deux mécaniques à reconnaître au premier coup d'œil, et tout le reste en découle

I. Deux mécaniques, un duel


Arithmétique : on AJOUTE r
4 → 11 → 18 → 25
un+1 = un + r  (ici r = 7) : un escalier régulier : la différence entre deux termes consécutifs est constante
Géométrique : on MULTIPLIE par q
4 → 12 → 36 → 108
un+1 = q × un  (ici q = 3) : une croissance explosive : le quotient entre deux termes consécutifs est constant
Le test qui prouve (rédaction attendue au bac) Calculer u_{n+1}-u_n (arithmétique ?) ou \dfrac{u_{n+1}}{u_n} (géométrique ?) en fonction de n, et vérifier que le résultat est constant. Deux termes qui « collent » ne prouvent rien : il faut le calcul pour tout n.
🎮 Entraîne-toi : quelle est la nature de la suite ?
Relation de récurrence ou premiers termes : à toi de trancher.

II. Le terme général : sauter directement au bon rang


u = u₀ + n × r : u = u₀ × qn
Depuis n'importe quel rang p u_n=u_p+(n-p)\,r : u_n=u_p\times q^{\,n-p} : on compte simplement le nombre de sauts entre p et n.
🎮 Entraîne-toi : calcule le terme demandé
Sans lister tous les termes : utilise la formule !
👆 À toi : (un) arithmétique avec u₂ = 7 et r = 5. Calcule u₁₂, puis vérifie
De u₂ à u₁₂, il y a 12 − 2 = 10 sauts : {u_{12}=u_2+10r=7+50=} 57. Inutile de repasser par u₀ !
Méthode : retrouver la raison avec deux termes connus Entre u_p et u_n il y a n-p sauts : arithmétique → r=\dfrac{u_n-u_p}{n-p} : géométrique → q^{\,n-p}=\dfrac{u_n}{u_p}. Ensuite on redescend jusqu'à u_0.
👆 À toi : (un) arithmétique avec u₃ = 11 et u₈ = 31. Trouve r puis u₀, puis vérifie
5 sauts entre u₃ et u₈ : \begin{aligned}r &= \dfrac{31-11}{8-3} \\ &= 4\end{aligned} Marche arrière : u_0=u_3-3r=11-12= −1.
Version géométrique du même jeu : si u₂ = 6 et u₅ = 48, alors \begin{aligned}q^3 &= \dfrac{48}{6} \\ &= 8\end{aligned} donc q = 2, et \begin{aligned}u_0 &= \dfrac{6}{2^2} \\ &= 1{,}5\end{aligned}
🎓 Démonstration au programme (exigible) : un = u₀ + n × r, puis vérifie
On écrit les n égalités de récurrence : u_1=u_0+r, u_2=u_1+r, …, u_n=u_{n-1}+r.
En les additionnant membre à membre, tous les termes u_1,\dots,u_{n-1} apparaissent des deux côtés et se simplifient : il reste u_n=u_0+n\,r.
(Même principe pour la géométrique en multipliant membre à membre : {u_n=u_0\times q^n}.)

III. Le tableau qui compare tout : la clé, c'est le nombre de pas


🔑 L'idée qui unifie tout : (n − k), c'est un NOMBRE DE PAS Passer d'un terme au suivant, c'est faire un pas. Pour aller de u_k à u_n, on fait donc n − k pas : c'est tout ce que dit l'indice.
Arithmétique : à chaque pas on ajoute r, donc on ajoute r exactement n − k fois.
Géométrique : à chaque pas on multiplie par q, donc on multiplie par q exactement n − k fois.
Il n'y a donc rien à apprendre par cœur dans le tableau ci-dessous : chaque ligne se retrouve en comptant les pas. Dans les formules, l'encadré est toujours le nombre de pas.
On part de… Nombre de pas Arithmétique (raison r) Géométrique (raison q)
le terme précédent 1 pas u_{n+1} = u_n + r u_{n+1} = q \times u_n
u_0 n pas u_n = u_0 + \boxed{n}\,r u_n = u_0 \times q^{\boxed{n}}
u_1 n − 1 pas u_n = u_1 + \boxed{n-1}\,r u_n = u_1 \times q^{\boxed{n-1}}
u_2 n − 2 pas u_n = u_2 + \boxed{n-2}\,r u_n = u_2 \times q^{\boxed{n-2}}
u_k n − k pas u_n = u_k + \boxed{n-k}\,r u_n = u_k \times q^{\boxed{n-k}}
⚠️ L'erreur classique : partir de u₁ et garder n Beaucoup d'élèves écrivent {u_n = u_1 + n\,r} quand la suite commence à u_1. C'est faux : de u_1 à u_n il y a n-1 pas, pas n.
Le test qui sauve : remplace n par la valeur du rang de départ. Avec n=1, la bonne formule donne u_1 + 0 \times r = u_1 ✔ ; la fausse donne u_1 + r ✘. Fais ce contrôle à chaque fois.

IV. L'atelier des pas : déplace le point de départ


Comment s'en servir Choisis la mécanique (+ r ou × q), règle le premier terme et la raison, puis déplace la poignée k : le point de départ bouge et les arcs comptent les pas restant à faire jusqu'au rang n. C'est ce comptage, et lui seul, qui donne l'exposant (ou le coefficient) de la formule. Les boutons de cas servent surtout à la partie suivante : ils fabriquent en un clic les cinq allures d'une géométrique.
un n k (départ) n (visé)
Attrape la poignée k ou la poignée n sur l'axe du bas (ou utilise les curseurs) : les arcs comptent les pas effectués. Le graphe du haut est un nuage de points, jamais une courbe : une suite n'existe qu'aux rangs entiers.
🎮 Entraîne-toi : partir d'un rang autre que 0
Compte les pas AVANT de calculer.
🎮 Entraîne-toi : combien de pas, combien de termes ?
Ce ne sont pas les mêmes nombres : il y a toujours un terme de plus que de pas.
Nombre de pas
Nombre de termes

V. Sens de variation : ne transpose pas d'une suite à l'autre


Arithmétique : un seul signe à regarder \begin{aligned}u_{n+1} - u_n &= (u_n + r) - u_n \\ &= r\end{aligned}
La différence ne dépend ni de n, ni de u₀ : c'est toujours r. Donc :
  • r > 0 → suite croissante ;
  • r < 0 → suite décroissante ;
  • r = 0 → suite constante.
Aucune condition, aucun cas particulier : le signe de r décide seul.
⚠️ Ne transpose pas cette règle à la géométrique Écrire « q > 1 donc croissante » sans regarder u_0 est l'erreur la plus fréquente du chapitre. Pour une géométrique, le sens de variation dépend de deux signes, pas d'un seul.
Géométrique : deux signes, donc un produit \begin{aligned}u_{n+1} - u_n &= q\,u_n - u_n \\ &= u_n\,(q-1) \\ &= u_0\,q^{\,n}\,(q-1)\end{aligned}
Le sens de variation est donné par le signe de ce produit, donc par le signe de u_0 et celui de q-1 (et par celui de q^{\,n}, qui n'est constant que si q > 0).
Cassigne de q-1signe de u_0Conclusion
q > 1++croissante (elle explose vers le haut)
q > 1+décroissante (elle plonge vers le bas)
0 < q < 1+décroissante (elle s'écrase vers 0)
0 < q < 1croissante (elle remonte vers 0)
q = 10peu importeconstante
q < 0peu importeni croissante ni décroissante : les termes alternent
⚠️ Le cas oublié : q < 0, la suite n'est PAS monotone Si q < 0, alors q^{\,n} est positif pour n pair et négatif pour n impair : les termes sautent au-dessus puis au-dessous de l'axe. Elle monte, puis descend, puis remonte… donc elle n'est ni croissante, ni décroissante.
Réponse attendue en devoir : « la suite n'est pas monotone », et non « décroissante » sous prétexte que la raison est négative.
un n O 10 20 −10 −20 −30 123 456 7
Suite géométrique de premier terme u_0 = 2 et de raison q = -1{,}5 : 2 ; −3 ; 4,5 ; −6,75 ; 10,125 ; … Les points sautent d'un côté à l'autre de l'axe. Aucune monotonie possible. Remarque : ce sont bien des points isolés, jamais une courbe : la suite n'a de valeur qu'aux rangs entiers.
Arithmétiquer > 0 : croissanter < 0 : décroissanter = 0 : constante
Géométrique (u₀ > 0)q > 1 : croissante0 < q < 1 : décroissanteq = 1 : constante : q < 0 : non monotone (signes alternés)
Si u₀ < 0, tout s'inverse (côté géométrique) Exemple : u_n=-5\times 2^n est décroissante (−5, −10, −20, …) : le signe de u_0 retourne les variations. La preuve en une ligne : u_{n+1}-u_n=u_0\,q^n(q-1), dont le signe se lit directement.
Allure arithmétique
des points alignés : la croissance est linéaire
Allure géométrique
une courbe qui décolle : la croissance est exponentielle
🎮 Entraîne-toi : croissante, décroissante… ou pire ?
Attention au signe de u₀ et aux raisons négatives.

VI. Les sommes : deux formules, un même piège


Somme arithmétique u_0+u_1+\cdots+u_n=(n+1)\times\dfrac{u_0+u_n}{2} : en clair : nombre de termes × (premier + dernier) : 2. Cas fétiche : {1+2+\cdots+n=\dfrac{n(n+1)}{2}}.
Somme géométrique (q ≠ 1) u_0+u_1+\cdots+u_n=u_0\times\dfrac{1-q^{\,n+1}}{1-q} : en clair : premier terme × (1 − qnombre de termes) : (1 − q).
⚠️ de u à u₁₅ il y a 15 − 3 + 1 = 13 termes : le « +1 » oublié coûte des points chaque année !
🎮 Entraîne-toi : compter et sommer
Le nombre de termes d'abord, la formule ensuite.
👆 À toi : calcule S = 4 + 7 + 10 + ⋯ + 31, puis vérifie
Suite arithmétique de raison 3 : de 4 à 31 il y a \frac{31-4}{3}+1=10 termes.
S=10\times\dfrac{4+31}{2}=10\times17{,}5= 175.
👆 À toi : calcule S = 12 + 13 + 14 + ⋯ + 60 par différence, puis vérifie
Astuce « par différence » : S=(1+2+\cdots+60)-(1+2+\cdots+11)=\dfrac{60\times61}{2}-\dfrac{11\times12}{2}=1\,830-66= 1 764.
🎓 Démonstration au programme (exigible) : la somme géométrique, puis vérifie
On pose S=1+q+q^2+\cdots+q^n et on calcule q\times S=q+q^2+\cdots+q^{n+1}.
Par soustraction, presque tout se télescope : S-qS=1-q^{n+1}, donc S(1-q)=1-q^{n+1} et, comme q\neq1 : S=\dfrac{1-q^{n+1}}{1-q}.

VII. Arithmético-géométrique : la méthode du point fixe


Définition u_{n+1}=a\,u_n+b (avec a\neq1, b\neq0) : un mélange des deux mécaniques : l'énoncé fournit toujours les étapes, mais il faut savoir les jouer.
La méthode en 3 coups
  1. Point fixe : résoudre \ell=a\ell+b.
  2. Suite auxiliaire : poser v_n=u_n-\ell et montrer que (v_n) est géométrique de raison a.
  3. Retour : v_n=v_0\,a^n, donc {u_n=(u_0-\ell)\,a^n+\ell}.
u₀ = 5,  un+1 = 2un − 6  →  ℓ = 6  →  vn = un − 6 géométrique de raison 2, v₀ = −1  →  un = 6 − 2ⁿ
👆 À toi : u₀ = 10 et un+1 = 0,5 × un + 3. Exprime un, puis sa limite, puis vérifie
Point fixe : \begin{aligned}\ell &= 0{,}5\ell+3 \\ &\Rightarrow \ell = 6\end{aligned} Avec v_n=u_n-6 : v_0=4 et (v_n) géométrique de raison 0,5, donc {u_n=6+4\times0{,}5^n}.
Comme 0{,}5^n\to0 : u_n\to 6 : la suite converge vers son point fixe (car |a| < 1).
Contrôle : \begin{aligned}u_1 &= 6+2 \\ &= 8\end{aligned} et par la récurrence \begin{aligned}u_1 &= 0{,}5\times10+3 \\ &= 8\end{aligned}

VIII. Les limites de qⁿ : quatre cas, pas un de plus


q > 1q = 1−1 < q < 1q ≤ −1
qⁿ → +∞qⁿ → 1qⁿ → 0pas de limite (oscille)
Et pour les sommes ? Si -1<q<1 : {u_0+u_1+\cdots+u_n\longrightarrow\dfrac{u_0}{1-q}}. Exemple : {1+\tfrac13+\tfrac19+\cdots\longrightarrow\dfrac{1}{1-\frac13}=\dfrac32}.
🎮 Entraîne-toi : la limite de qⁿ
Situe q par rapport à −1 et 1.

IX. Les pièges à connaître


⚠️ Le nombre de termes, c'est n − p + 1 De u₃ à u₁₅ : 13 termes, pas 12. Vérifie sur un petit cas : de u₁ à u₃, il y a bien 3 termes.
⚠️ Deux termes ne font pas une preuve Montrer u_1-u_0=u_2-u_1 ne prouve pas que la suite est arithmétique : le calcul de u_{n+1}-u_n doit être fait pour tout n.
⚠️ Le point fixe n'est pas toujours la limite u_n=(u_0-\ell)a^n+\ell converge vers \ell seulement si -1<a<1. Si |a|>1 (et u_0\neq\ell), la suite diverge : comme {u_n=6-2^n\to-\infty} ci-dessus.