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On considère la suite $\left(u_{n}\right)$ définie par $u_{0} = 0$ et, pour tout entier naturel $n$
\[u_{n+1} = u_{n} + 2n + 2.\]
1.
Calculer $u_{1}$ et $u_{2}$.
Corrigé
\[\begin{aligned}
u_1 &=u_0 + 2\times 0 + 2 = 0+0+2 = 2\ ;&\\
u_2 &=u_1 + 2\times 1 + 2 = 2 + 2 + 2 = 6.&
\end{aligned}\]
2.
On considère les deux fonctions programmées en Python suivantes
| Fonction 1 |
Fonction 2 |
|
|
De ces deux fonctions, laquelle permet d'afficher en sortie la valeur de $u_{n}$,
la valeur de l'entier naturel $n$ étant en paramètre de la fonction ?
Corrigé
C'est la fonction 2. La valeur de l'indice i dans la fonction 1 n'est pas correct.
En fait, la fonction 1 calcule les
termes d'une suite qui vérifierait
\[u_{n+1} = u_n + 2(n+1) + 2.\]
3.
À l'aide d'un tableur, on a obtenu le tableau et le nuage de points ci-dessous où $n$ figure en abscisse et $u_{n}$ en ordonnée.
a.
Quelle conjecture peut-on faire quant au sens de variation de la suite $\left(u_{n}\right)$ ?
Corrigé
$(u_n)$ semble croissante.
Démontrer cette conjecture.
Corrigé
Pour tout entier naturel $n$:
\[u_{n+1} - u_n = u_n + 2n + 2 - u_n = 2n + 2.\]
Or
\[n \ge 0 \implies 2n + 2 \ge 2 \implies 2n+2 > 0.\]
La suite $(u_n)$ est donc bien strictement croissante.
b.
La forme parabolique du nuage de points amène à conjecturer l'existence de trois réels a, b
et c tels que, pour tout entier naturel n,
\[u_{n} = an^2 + bn + c.\]
Dans le cadre de cette conjecture, trouver les valeurs de a, b et c
à l'aide des informations fournies.
Corrigé
Si $u_n = an^2 + bn + c$, alors en particulier on a:
\[u_0 = a\times 0^2 + b\times 0 + c = 0.\]
Donc $c = 0$.
On aura aussi
\[
u_1 = 2
\implies
a\times 1^2 + b\times 1 = 2
\implies
b = 2 - a.
\]
Enfin, on aura
\[\begin{aligned}
&u_2 = 6&
\\ \implies
&a\times 2^2 + b\times 2 = 6&
\\ \implies
&4a + 2b = 6&
\\ \implies
&2a + b = 3&
\\ \implies
&2a + 2 - a = 3&
\\ \implies
&a = 1.&
\end{aligned}\]
Ce qui implique alors que
\[b = 2 - a = 2 - 1 = 1.\]
Si $u_n =an^2+bn + c$, alors $a=b=1$ et $c=0$.
4.
On définit, pour tout entier naturel $n$, la suite $\left(v_{n}\right)$ par :
\[v_{n} = u_{n+1} - u_{n}.\]
a.
Exprimer $v_{n}$ en fonction de l'entier naturel $n$.
Corrigé
On a déjà vu à la question 3.a que
\[v_{n} = u_{n+1} - u_n = 2n +2.\]
Quelle est la nature de la suite $\left(v_{n}\right)$ ?
Corrigé
On reconnaît là l'expression en fonction de $n$ de la suite arithmétique de raison $2$
et premier terme
$v_0 = 2$.
b.
On définit, pour tout entier naturel $n$,
\[S_{n} = \sum_{k=0}^{n} v_{k} = v_{0} + v_{1} + \cdots + v_{n}.\]
Démontrer que, pour tout entier naturel $n$,
\[S_{n} = (n + 1)(n + 2).\]
Corrigé
\[\begin{aligned}
S_n & = v_0 + v_1 + v_2 + \cdots + v_n&\\
& = (2\times 0 + 2) + (2\times 1 + 2) + (2\times 2 + 2) + \cdots + (2n + 2)&
\\
& = 2\times 0 + 2\times 1 + 2\times 2 + \cdots + 2n + \underbrace{2+2+2+\cdots+2}_{(n+1)\times 2}&
\\
& = 2(0+1+2+\cdots+n) + 2(n+1)&
\\
& = 2\times \frac{n(n+1)} 2 + 2(n+1)&
\\
& = n(n+1) + 2(n+1)&
\\
&=(n+1)(n+2).
\end{aligned}\]
c.
Démontrer que, pour tout entier naturel $n$,
\[S_{n} = u_{n+1} - u_{0}.\]
Corrigé
\[\begin{aligned}
S_n &= v_0 + v_1 + v_2 + \cdots + v_n&
\\
&=\cancel{u_1} - u_0 + \cancel{u_2} - \cancel{u_1} + \cancel{u_3} - \cancel{u_2} + \cdots + u_{n+1} - \cancel{u_n}&
\\
&=u_{n+1} - u_0.&
\end{aligned}\]
d.
Exprimer $u_{n}$ en fonction de $n$.
Corrigé
D'après les deux formules précédentes, on peut écrire que:
\[S_{n-1} = u_{n} - u_0 = n(n+1).\]
On a donc :
\[u_{n} - u_0 = n(n+1) \implies u_n = n^2 + n + u_0 = n^2 + n.\]
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