[Communiquer.]
1. Soient (u_n) et (v_n) deux suites définies, pour tout entier n \geqslant 1, par u_{n}=\frac{1}{n} et v_n=n.
a. Déterminer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} u_{n} et \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} v_{n}.

b. Calculer, pour tout entier n \geqslant 1, u_{n} \times v_{n}.

c. En déduire \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}}\left(u_{n} \times v_{n}\right).

2. Soient (u_n) et (w_n) deux suites définies, pour tout entier n \geqslant 1, par u_{n}=\frac{1}{n} et w_n=n^2.
a. Déterminer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} u_{n} et \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} w_{n}.

b. Calculer, pour tout entier n \geqslant 1, u_{n} \times w_{n}.

c. En déduire \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} u_n \times w_n.

3. Expliquer pourquoi la limite du produit d'une suite qui converge vers 0 et d'une suite qui diverge vers +\infty ou -\infty ne peut pas s'obtenir directement par opérations sur les limites de chaque suite.

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67
[Communiquer.]
Soient (u_n) et (v_n) deux suites définies, pour tout entier n \geqslant 1, par u_{n}=\frac{1}{n^2} et v_n=\frac{1}{n}.
1. Déterminer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} u_{n} et \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} v_{n}.

2. a. Calculer, pour tout entier n \geqslant 1, \frac{u_{n}}{v_{n}}.

b. En déduire \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}}\frac{u_{n}}{v_{n}}.

3. a. Calculer, pour tout entier n \geqslant 1, \frac{v_{n}}{u_{n}}.

b. En déduire \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}}\frac{v_{n}}{u_{n}}.

4. Expliquer pourquoi la limite du quotient de deux suites qui convergent vers 0 ne peut pas s'obtenir directement par opérations sur les limites de chaque suite.

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68
[Communiquer.]
Soient (u_n) et (v_n) deux suites définies, pour tout entier n \geqslant 1, par u_{n}=n^2 et v_n=n.
1. Déterminer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} u_{n} et \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} v_{n}.

2. a. Calculer, pour tout entier n \geqslant 1, \frac{u_{n}}{v_{n}}.

b. En déduire \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}}\frac{u_{n}}{v_{n}}.

3. a. Calculer, pour tout entier n \geqslant 1, \frac{v_{n}}{u_{n}}.

b. En déduire \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}}\frac{v_{n}}{u_{n}}.

4. Expliquer pourquoi la limite du quotient de deux suites qui divergent vers +\infty ne peut pas s'obtenir directement par opérations sur les limites de chaque suite.

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Démo

[Raisonner.]
Nous allons démontrer que, pour tout réel q tel que -1\lt q\lt 1, on a \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} q^{n}=0.
Pour cela, nous utiliserons un raisonnement par disjonction de cas.

1. Si q = 0, déterminer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} q^{n}.

2. a. Si 0\lt q\lt 1, que peut‑on dire de \frac{1}{q} ?

b. Déterminer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}}\left(\frac{1}{q}\right)^{n}.

c. En déduire qu'on a alors \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}}q^n=0.

3. Avec un raisonnement analogue pour -1\lt q\lt 0, prouver que \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} q^{n}=0.

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70
[Calculer.]
Produit télescopique
Soit (u_n) la suite définie, pour tout entier n \geqslant 2, par : u_{n}=\left(1-\frac{1}{2^{2}}\right)\left(1-\frac{1}{3^{2}}\right) \ldots\left(1-\frac{1}{n^{2}}\right).

1. a. Soit k un entier tel que 2 \leqslant k \leqslant n. Montrer que 1-\frac{1}{k^{2}}=\frac{(k-1)(k+1)}{k^{2}}.

b. En déduire que, pour tout entier n \geqslant 2, u_{n}=\frac{n+1}{2 n}.

2. Déterminer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} u_{n}.

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71
[Calculer.]
D'après les Olympiades Suisses de Mathématiques
Soit (b_n) la suite définie, pour tout entier n \geqslant 1, par : b_{n}=\mathop{\sum}\limits_{k=1}\limits^{n} \frac{4 k}{4 k^{4}+1}=\frac{4}{5}+\frac{8}{65}+\ldots+\frac{4 n}{4 n^{4}+1}.

1. a. Montrer que pour tout entier k tel que 1 \leqslant k \leqslant n, \frac{4 k}{4 k^{4}+1}=\frac{\left(2 k^{2}+2 k+1\right)-\left(2 k^{2}-2 k+1\right)}{\left(2 k^{2}+2 k+1\right)\left(2 k^{2}-2 k+1\right)}.

b. En déduire que, pour tout entier n \geqslant 1, b_{n}=1-\frac{1}{2 n^{2}+2 n+1}.

2. Calculer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} b_{n}.

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[Calculer.]
Somme télescopique
Soit (c_n) la suite définie, pour tout entier n \geqslant 1, par :
c_{n}=\mathop{\sum}\limits_{k=1}\limits^{n} \frac{1}{k(k+1)(k+2)}=\frac{1}{1 \times 2 \times 3}+\frac{1}{2 \times 3 \times 4}+\ldots+\frac{1}{n(n+1)(n+2)}.

1. a. Soit k un entier tel que 1 \leqslant k \leqslant n.
Montrer que \frac{1}{k(k+1)(k+2)}=\frac{1}{2}\left(\frac{1}{k}-\frac{1}{k+1}\right)-\frac{1}{2}\left(\frac{1}{k+1}-\frac{1}{k+2}\right).

b. En déduire une expression simplifiée de c_n.

2. Déterminer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} c_{n}.

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[Modéliser.]
Une salle de sport a ouvert en 2019 et 3 500 personnes se sont inscrites dès la première année. Chaque année, 80 % des inscrits renouvellent leur abonnement et 450 nouvelles inscriptions sont enregistrées.
Pour tout entier naturel n, on note a_n le nombre d'abonnés au cours de l'année 2019 + n.
On a donc a_0=3 500.

1. Exprimer a_{n+1} en fonction de a_n.

2. Pour tout entier naturel n, on pose b_n=a_n-2 250.
a. Montrer que la suite (b_n) est géométrique de raison 0{,}8. Préciser son premier terme.

b. Exprimer b_n en fonction de n.

c. En déduire que a_{n}=1 250 \times 0{,}8^{n}+2 250.

3. Déterminer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} a_{n} et interpréter le résultat.

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Algo

[Modéliser.]

Suites - 3. Opérations sur les limites - exercice 74

Le zoom est accessible dans la version Premium.

Une association d'ornithologues décide de suivre l'évolution d'une population d'oiseaux migrateurs dans une réserve naturelle. Pour ce faire, ils baguent les oiseaux qui viennent s'installer dans la réserve au printemps et recensent ceux qui reviennent dans cette même réserve l'année suivante. La première année, 600 oiseaux sont bagués. Par la suite, les ornithologues constatent que 90 % des oiseaux qui se sont installés dans la réserve une année reviennent l'année suivante et que 100 nouveaux oiseaux les rejoignent.
Pour tout entier naturel n, on note u_n le nombre d'oiseaux présents dans la réserve la n‑ième année.
On a donc u_1=600.

1. Exprimer, pour tout entier naturel n, u_{n+1} en fonction de u_n.

2. Pour tout entier naturel n, on pose v_n=u_n-1 000.
a. Montrer que la suite (v_n) est géométrique. Préciser sa raison et son premier terme.

b. Exprimer v_n puis u_n en fonction de n.

3. Déterminer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} u_{n} et interpréter le résultat.

4. On souhaite savoir à partir de quelle année le nombre d'oiseaux présents dans la réserve sera supérieur à 900. Pour cela, les ornithologues ont commencé à rédiger l'algorithme ci‑contre.

\boxed{ \begin{array} { l } {\mathrm{N}} \leftarrow 1 \\ {\mathrm{U}} \leftarrow \ldots \\ \text {Tant que } \ldots \\ \quad {\mathrm{N}} \leftarrow \ldots \\ \quad {\mathrm{U}} \leftarrow \ldots \\ \text {Fin Tant que } \ldots \\ \end{array} }

a. Compléter l'algorithme pour qu'il réponde au problème posé.

b. Programmer cet algorithme et répondre à la question.

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75
[Modéliser.]

Tapis de Sierpiński
On considère un carré dont l'aire est de 1 m². Pour construire la figure ci‑dessous, on partage ce carré en neuf carrés égaux et on noircit celui du centre.
On partage ensuite chacun des huit carrés restants en neuf carrés égaux et on noircit les huit carreaux au centre.
On recommence cette construction à chaque étape. Pour tout entier naturel n \geqslant 1, on note \text{A}_n l'aire totale noircie après la n‑ième l'étape. On a donc \mathrm{A}_{1}=\frac{1}{9}.

Le zoom est accessible dans la version Premium.

1. a. Quelle proportion de la surface verte restante est noircie à chaque étape ?

b. En déduire que, pour tout entier n \geqslant 1, on a : \mathrm{A}_{n+1}=\frac{8}{9} \mathrm{A}_{n}+\frac{1}{9}.

2. Pour tout entier n \geqslant 1, on pose \mathrm{B}_{n}=\mathrm{A}_{n}-1.
a. Montrer que la suite (\text{B}_n) est géométrique. Préciser sa raison et son premier terme.

b. Exprimer \text{B}_n en fonction de n.

c. Exprimer alors \text{A}_n en fonction de n.

d. Déterminer \lim\limits_{\substack{n \to +\infty}} \mathrm{A}_{n}.

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76
[Modéliser.]
Flocon de Koch

Afin de construire la courbe fractale ci‑après, appelée flocon de Koch, on effectue à chaque étape le même programme de construction : on partage chaque segment en trois parties égales et on remplace le segment du milieu par un triangle équilatéral dont on efface la base. Voici les trois premières étapes de construction pour un côté :

Le zoom est accessible dans la version Premium.

On obtient alors la construction complète du flocon où l'étape 1 représente un triangle équilatéral :

Le zoom est accessible dans la version Premium.

1. Nombre de côtés
Pour tout entier n \geqslant 1, on note c_n le nombre de côtés du flocon à l'étape n.
a. En combien de segments égaux un segment est‑il partagé d'une étape à l'autre ?

b. En déduire que la suite (c_n) est géométrique.

c. Exprimer c_n en fonction de n.

2. Périmètre du flocon
Pour tout entier n \geqslant 1, on note \ell_n la longueur d'un segment à l'étape n.
a. Montrer que la suite (\ell_n) est géométrique.

b. Exprimer \ell_n en fonction de n.

c. Pour tout entier n \geqslant 1, on note p_n le périmètre du flocon à l'étape n.
Montrer que p_{n}=3 \ell_{1} \times\left(\frac{4}{3}\right)^{n-1}.

d. En déduire la limite du périmètre du flocon lorsque n tend vers +\infty.

3. Défi
Déterminer la suite dont le terme général donne l'aire du flocon et montrer que cette suite converge.
En quoi est‑ce surprenant ?

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