Limites de suites

I - Notion intuitive de limite d'une suite

1 - Limite finie

Quand, à partir d'un certain rang, l'écart entre les termes d'une suite $(u_n)$ et un réel $\ell$ peut être rendu aussi petit que l'on veut, on dit que la suite $(u_n)$ converge vers $\ell$ (ou a pour limite $\ell$). On note $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = \ell$.

Exemple d'une suite convergente

Soit $u_n = \dfrac{1}{n+1}$. Un tableau de valeurs donne :

$n$0102030405060
$u_n$10,09090,04760,03230,02440,01960,0164

On conjecture que la suite converge vers $0$ : $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 0$.

Exemple d'une suite qui n'a pas de limite

$u_n = (-1)^n$ vaut $1$ si $n$ est pair et $-1$ si $n$ est impair : la suite n'a pas de limite.

2 - Limite infinie

Exemple d'une suite qui a pour limite $+\infty$

Soit $u_n = n^2$ :

$n$0102030405060
$u_n$01004009001 6002 5003 600

Les termes deviennent aussi grands que l'on veut : $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = +\infty$.

Propriété 1 : $$\forall k \in \mathbb{N}^*,\ \lim_{n \to +\infty} n^k = +\infty \quad ; \quad \lim_{n \to +\infty} \sqrt{n} = +\infty$$

II - Calculs de limites

1 - Limite d'une somme

Propriété 2 : Soit $(u_n)$ et $(v_n)$ deux suites, $\ell$ et $\ell'$ deux réels.
$\lim u_n$$\ell$$\ell$$\ell$$+\infty$$-\infty$$+\infty$
$\lim v_n$$\ell'$$+\infty$$-\infty$$+\infty$$-\infty$$-\infty$
$\lim (u_n + v_n)$$\ell + \ell'$$+\infty$$-\infty$$+\infty$$-\infty$Forme indéterminée

2 - Limite d'un produit

Propriété 3 : $\infty$ désigne $+\infty$ ou $-\infty$ ; le signe s'obtient par la règle des signes.
$\lim u_n$$\ell$$\ell \neq 0$$\infty$$0$
$\lim v_n$$\ell'$$\infty$$\infty$$\infty$
$\lim (u_n \times v_n)$$\ell \times \ell'$$\infty$$\infty$Forme indéterminée

3 - Limite d'un quotient

Propriété 4 : Les termes $v_n$ sont non nuls et $\ell' \neq 0$.
$\lim u_n$$\ell$$\ell \neq 0$ ou $\infty$$\ell$$\infty$$\infty$$0$
$\lim v_n$$\ell'$$0$$\infty$$\ell'$$\infty$$0$
$\lim \dfrac{u_n}{v_n}$$\dfrac{\ell}{\ell'}$$\infty$ (*)$0$$\infty$Forme indéterminéeForme indéterminée

(*) à condition que $v_n$ garde un signe constant à partir d'un certain rang.

Propriété 5 : $$\forall k \in \mathbb{N}^*,\ \lim_{n \to +\infty} \dfrac{1}{n^k} = 0 \quad ; \quad \lim_{n \to +\infty} \dfrac{1}{\sqrt{n}} = 0$$

Méthode : limite d'un polynôme

$u_n = n^2 - n$ : on obtient la forme indéterminée « $+\infty - \infty$ ». On factorise par le terme de plus haut degré :

$$n^2 - n = n^2\left(1 - \dfrac{1}{n}\right)$$

$\lim n^2 = +\infty$ et $\lim\left(1 - \dfrac{1}{n}\right) = 1$ donc, par produit, $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = +\infty$.

Méthode : limite d'un quotient de polynômes

$u_n = \dfrac{n+2}{n^2+1}$ : forme indéterminée « $\dfrac{\infty}{\infty}$ ». On factorise le numérateur et le dénominateur par leur terme de plus haut degré :

$$\dfrac{n+2}{n^2+1} = \dfrac{n\left(1 + \frac{2}{n}\right)}{n^2\left(1 + \frac{1}{n^2}\right)} = \dfrac{1 + \frac{2}{n}}{n\left(1 + \frac{1}{n^2}\right)}$$

Le numérateur tend vers $1$ et le dénominateur vers $+\infty$ donc, par quotient, $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 0$.

4 - Limites et comparaison

Propriété 6 :
  • Si, à partir d'un certain rang, $u_n \leqslant v_n$ et $\lim u_n = +\infty$, alors $\lim v_n = +\infty$.
  • Si, à partir d'un certain rang, $u_n \leqslant v_n$ et $\lim v_n = -\infty$, alors $\lim u_n = -\infty$.
Propriété 7 : Théorème des gendarmes. Si, à partir d'un certain rang, $v_n \leqslant u_n \leqslant w_n$ et si $\lim v_n = \lim w_n = \ell$, alors $\lim u_n = \ell$.

Exemple : théorème des gendarmes

Pour $n \in \mathbb{N}^*$, $u_n = \dfrac{(-1)^n}{n}$. Comme $-1 \leqslant (-1)^n \leqslant 1$, on a $-\dfrac{1}{n} \leqslant u_n \leqslant \dfrac{1}{n}$. Or $\lim\left(-\dfrac{1}{n}\right) = \lim \dfrac{1}{n} = 0$, donc $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 0$.

Propriété 8 : Si $0 < q < 1$ alors $\lim\limits_{n \to +\infty} q^n = 0$ ; si $q > 1$ alors $\lim\limits_{n \to +\infty} q^n = +\infty$.