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On considère la suite réelle (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par la condition initiale u0=1u_0 = 1 et par la relation de récurrence suivante :

nN,un+1=1+nun\forall n \in \mathbb{N},   u_{n+1} = 1 + \frac{n}{u_n}

  1. Justifier que pour tout nNn \in \mathbb{N}, unu_n est bien défini et un1u_n \geqslant 1.
  2. Déterminer un équivalent simple de unu_n lorsque nn tend vers ++\infty.
  3. Établir un développement asymptotique de unu_n de la forme :
    un=n+a+O(1n)u_n = \sqrt{n} + a + O\left(\frac{1}{\sqrt{n}}\right)
    aa est une constante réelle à déterminer.

1.

On pourra introduire pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, la racine positive xnx_n de l'équation X2Xn=0X^2 - X - n = 0.

2.

Montrer par récurrence que pour tout n1n \geqslant 1, on a l'encadrement xn1unxnx_{n-1} \leqslant u_n \leqslant x_n.

3.

Utiliser un développement limité de l'expression explicite de xnx_n pour conclure.

Idées clés

Encadrement par les racines d'un polynôme caractéristique "mouvant".

Théorème des gendarmes pour l'équivalent.

Développement limité de 1+h\sqrt{1+h} au voisinage de 0.

Résolution.

  1. Procédons par récurrence. Pour n=0n=0, u0=1u_0 = 1 est bien défini. Supposons un1u_n \geqslant 1. Alors un0u_n \neq 0, donc un+1=1+nunu_{n+1} = 1 + \frac{n}{u_n} est bien défini. Comme n0n \geqslant 0 et un1u_n \geqslant 1, on a nun0\frac{n}{u_n} \geqslant 0, d'où un+11u_{n+1} \geqslant 1. Par récurrence, la suite est bien définie et minorée par 1.

  2. Introduisons xnx_n la racine positive de X2Xn=0X^2 - X - n = 0. On a explicitement :
    xn=1+1+4n2x_n = \frac{1 + \sqrt{1 + 4n}}{2}
    Montrons par récurrence que nN\forall n \in \mathbb{N}^*, xn1unxnx_{n-1} \leqslant u_n \leqslant x_n. Initialisation : Pour n=1n=1, u1=1+01=1u_1 = 1 + \frac{0}{1} = 1. Or x0=1x_0 = 1 et x1=1+521,618x_1 = \frac{1+\sqrt{5}}{2} \approx 1,618. On a bien x0u1x1x_0 \leqslant u_1 \leqslant x_1. Hérédité : Soit n1n \geqslant 1 tel que xn1unxnx_{n-1} \leqslant u_n \leqslant x_n. Par décroissance de la fonction x1+nxx \mapsto 1 + \frac{n}{x} sur R+\mathbb{R}^{+*}, on a :
    1+nxn1+nun1+nxn11 + \frac{n}{x_n} \leqslant 1 + \frac{n}{u_n} \leqslant 1 + \frac{n}{x_{n-1}}
    Or, par définition de xnx_n, xn2xnn=0x_n^2 - x_n - n = 0, donc 1+nxn=xn1 + \frac{n}{x_n} = x_n. L'inégalité devient :
    xnun+11+nxn1x_n \leqslant u_{n+1} \leqslant 1 + \frac{n}{x_{n-1}}
    Pour conclure, il suffit de vérifier que 1+nxn1xn+11 + \frac{n}{x_{n-1}} \leqslant x_{n+1}. Sachant que n=xn12xn1+1n = x_{n-1}^2 - x_{n-1} + 1, on a :
    1+nxn1=1+xn12xn1+1xn1=xn1+1xn11 + \frac{n}{x_{n-1}} = 1 + \frac{x_{n-1}^2 - x_{n-1} + 1}{x_{n-1}} = x_{n-1} + \frac{1}{x_{n-1}}
    On vérifie aisément (par étude de fonction ou développement) que pour n1n \geqslant 1, xn1+1xn1xn+1x_{n-1} + \frac{1}{x_{n-1}} \leqslant x_{n+1}. Ainsi, l'encadrement xnun+1xn+1x_n \leqslant u_{n+1} \leqslant x_{n+1} est validé.
  3. Comme xn=12+n+14x_n = \frac{1}{2} + \sqrt{n + \frac{1}{4}}, effectuons un développement asymptotique :
    xn=n(1+14n)1/2+12x_n = \sqrt{n} \left( 1 + \frac{1}{4n} \right)^{1/2} + \frac{1}{2}
    En utilisant (1+h)1/2=1+12h+O(h2)(1+h)^{1/2} = 1 + \frac{1}{2}h + O(h^2), il vient :
    xn=n(1+18n+O(1n2))+12x_n = \sqrt{n} \left( 1 + \frac{1}{8n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right) \right) + \frac{1}{2}
    D'où :
    xn=n+12+O(1n)\boxed{ x_n = \sqrt{n} + \frac{1}{2} + O\left(\frac{1}{\sqrt{n}}\right) }
    De même pour xn1x_{n-1} :
    xn1=1+4n32=n(134n)1/2+12=n+12+O(1n)x_{n-1} = \frac{1 + \sqrt{4n-3}}{2} = \sqrt{n} \left( 1 - \frac{3}{4n} \right)^{1/2} + \frac{1}{2} = \sqrt{n} + \frac{1}{2} + O\left(\frac{1}{\sqrt{n}}\right)
    Par le théorème des gendarmes appliqué aux développements asymptotiques, on conclut :
    un=n+12+O(1n)\boxed{ u_n = \sqrt{n} + \frac{1}{2} + O\left(\frac{1}{\sqrt{n}}\right) }

Vouloir montrer une inégalité simple avec une fonction de récurrence décroissante.

Comparer la suite aux points fixes d'une fonction dépendant de n.