Éducation nationale françaiseOption Mathématiques complémentairesTerminale générale24 min de lecture

Suites et applications

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Lecture

5 chapitres

Un parcours éditorialisé et navigable.

Pratique

12 questions

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Objectif

Terminale générale

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Chapitre 1

Introduction aux suites numériques

Définition et modes de génération d'une suite

Une suite numérique est une liste ordonnée de nombres réels. Chaque nombre de cette liste est appelé un terme de la suite. On note généralement une suite (un)nI(u_n)_{n \in I}, où II est un sous-ensemble des entiers naturels (souvent N\mathbb{N} ou N\mathbb{N}^*). Le terme unu_n est le terme de rang nn.

Il existe plusieurs façons de définir (ou "générer") une suite :

  1. Définition par formule explicite (ou terme général) : Chaque terme unu_n est directement calculable en fonction de son rang nn. C'est comme une fonction ffun=f(n)u_n = f(n). Exemple : Soit la suite (un)(u_n) définie pour tout nNn \in \mathbb{N} par un=2n+1u_n = 2n + 1. Pour trouver u0u_0, on remplace nn par 0 : u0=2(0)+1=1u_0 = 2(0) + 1 = 1. Pour trouver u1u_1, on remplace nn par 1 : u1=2(1)+1=3u_1 = 2(1) + 1 = 3. Pour trouver u5u_5, on remplace nn par 5 : u5=2(5)+1=11u_5 = 2(5) + 1 = 11. Ce mode de génération est très pratique car il permet de calculer n'importe quel terme sans connaître les précédents.

  2. Définition par relation de récurrence : On donne le premier terme (ou les premiers termes) de la suite, puis une formule qui exprime un terme en fonction du ou des termes précédents. Exemple : Soit la suite (vn)(v_n) définie par v0=2v_0 = 2 et pour tout nNn \in \mathbb{N}, vn+1=3vn1v_{n+1} = 3v_n - 1. Pour trouver v1v_1, on utilise v0v_0 : v1=3v01=3(2)1=5v_1 = 3v_0 - 1 = 3(2) - 1 = 5. Pour trouver v2v_2, on utilise v1v_1 : v2=3v11=3(5)1=14v_2 = 3v_1 - 1 = 3(5) - 1 = 14. Ce mode de génération est fréquent mais nécessite de calculer tous les termes précédents pour atteindre un terme lointain.

  3. Représentation graphique : On peut visualiser les termes d'une suite de deux manières :

    • Dans un repère (O;i,j)(O; \vec{i}, \vec{j}) : On place les points de coordonnées (n,un)(n, u_n). Cela permet de voir l'évolution de la suite.
    • Sur l'axe des abscisses (pour les suites définies par récurrence) : Pour un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n), on trace la courbe de y=f(x)y=f(x) et la droite y=xy=x. On part de u0u_0 sur l'axe des abscisses, on monte (ou descend) à la courbe y=f(x)y=f(x) pour trouver f(u0)=u1f(u_0) = u_1 sur l'axe des ordonnées. Puis on se déplace horizontalement jusqu'à la droite y=xy=x pour ramener u1u_1 sur l'axe des abscisses, et on répète le processus. C'est une méthode visuelle pour étudier le comportement de la suite.

Sens de variation d'une suite

Étudier le sens de variation d'une suite, c'est déterminer si ses termes augmentent, diminuent ou restent constants.

  • Une suite (un)(u_n) est croissante si pour tout nn, un+1unu_{n+1} \ge u_n.
  • Une suite (un)(u_n) est strictement croissante si pour tout nn, un+1>unu_{n+1} > u_n.
  • Une suite (un)(u_n) est décroissante si pour tout nn, un+1unu_{n+1} \le u_n.
  • Une suite (un)(u_n) est strictement décroissante si pour tout nn, un+1<unu_{n+1} < u_n.
  • Une suite (un)(u_n) est constante si pour tout nn, un+1=unu_{n+1} = u_n.
  • Une suite est dite monotone si elle est soit croissante, soit décroissante.

Pour étudier le sens de variation, la méthode la plus courante est d'étudier le signe de la différence un+1unu_{n+1} - u_n :

  • Si un+1un>0u_{n+1} - u_n > 0 pour tout nn, alors la suite est strictement croissante.
  • Si un+1un<0u_{n+1} - u_n < 0 pour tout nn, alors la suite est strictement décroissante.
  • Si un+1un=0u_{n+1} - u_n = 0 pour tout nn, alors la suite est constante.

Exemple : Soit la suite (un)(u_n) définie par un=n23nu_n = n^2 - 3n. Calculons un+1unu_{n+1} - u_n : un+1un=((n+1)23(n+1))(n23n)u_{n+1} - u_n = ((n+1)^2 - 3(n+1)) - (n^2 - 3n) =(n2+2n+13n3)(n23n)= (n^2 + 2n + 1 - 3n - 3) - (n^2 - 3n) =n2n2n2+3n= n^2 - n - 2 - n^2 + 3n =2n2= 2n - 2

  • Si 2n2>0    2n>2    n>12n - 2 > 0 \implies 2n > 2 \implies n > 1. Pour n2n \ge 2, la suite est croissante.
  • Si 2n2<0    2n<2    n<12n - 2 < 0 \implies 2n < 2 \implies n < 1. Pour n=0n = 0, la suite est décroissante (u0=0u_0 = 0, u1=2u_1 = -2).
  • Si 2n2=0    n=12n - 2 = 0 \implies n = 1. Pour n=1n=1, u1=u2u_1 = u_2. Il est important de préciser l'intervalle de nn pour lequel la variation est observée.

Autre méthode (si les termes sont positifs) : Comparer le quotient un+1un\frac{u_{n+1}}{u_n} à 1.

  • Si un+1un>1\frac{u_{n+1}}{u_n} > 1, la suite est strictement croissante.
  • Si un+1un<1\frac{u_{n+1}}{u_n} < 1, la suite est strictement décroissante.
  • Si un+1un=1\frac{u_{n+1}}{u_n} = 1, la suite est constante.

Suites majorées, minorées, bornées

Ces notions décrivent si les termes d'une suite restent dans un certain intervalle. On les interprète souvent graphiquement.

  • Une suite (un)(u_n) est majorée s'il existe un nombre réel MM tel que pour tout nn, unMu_n \le M. MM est appelé un majorant de la suite. Exemple : La suite un=11n+1u_n = 1 - \frac{1}{n+1} est majorée par 1, car 11n+1<11 - \frac{1}{n+1} < 1 pour tout nn. Graphiquement, tous les points (n,un)(n, u_n) sont en dessous ou sur la droite horizontale y=My=M.

  • Une suite (un)(u_n) est minorée s'il existe un nombre réel mm tel que pour tout nn, unmu_n \ge m. mm est appelé un minorant de la suite. Exemple : La suite un=n2u_n = n^2 est minorée par 0, car n20n^2 \ge 0 pour tout nn. Graphiquement, tous les points (n,un)(n, u_n) sont au-dessus ou sur la droite horizontale y=my=m.

  • Une suite (un)(u_n) est bornée si elle est à la fois majorée et minorée. C'est-à-dire, s'il existe deux nombres réels mm et MM tels que pour tout nn, munMm \le u_n \le M. Exemple : La suite un=cos(n)u_n = \cos(n) est bornée, car 1cos(n)1-1 \le \cos(n) \le 1 pour tout nn. Elle est majorée par 1 et minorée par -1. Une suite bornée est contenue entre deux droites horizontales sur une représentation graphique.

Chapitre 2

Suites arithmétiques

Définition et propriétés

Une suite (un)(u_n) est dite arithmétique si la différence entre deux termes consécutifs est constante. Cette constante est appelée la raison de la suite, notée rr.

  • Définition par récurrence : Pour tout nNn \in \mathbb{N} (ou nn0n \ge n_0), un+1=un+ru_{n+1} = u_n + r. On a besoin du premier terme u0u_0 (ou un0u_{n_0}) et de la raison rr. Exemple : u0=5u_0 = 5 et r=3r = 3. Alors u1=5+3=8u_1 = 5+3=8, u2=8+3=11u_2 = 8+3=11, etc.

  • Terme général (formule explicite) : Pour tout nNn \in \mathbb{N}, un=u0+n×ru_n = u_0 + n \times r. Si le premier terme est upu_p, alors un=up+(np)×ru_n = u_p + (n-p) \times r. Cette formule est très utile pour calculer directement un terme lointain sans passer par tous les termes intermédiaires. Exemple : Suite arithmétique de premier terme u0=5u_0 = 5 et de raison r=3r=3. u10=u0+10×r=5+10×3=5+30=35u_{10} = u_0 + 10 \times r = 5 + 10 \times 3 = 5 + 30 = 35.

  • Caractérisation : Trois termes a,b,ca, b, c sont consécutifs d'une suite arithmétique si et seulement si 2b=a+c2b = a + c. (Le terme du milieu est la moyenne arithmétique des deux autres).

  • Sens de variation :

    • Si r>0r > 0, la suite est strictement croissante.
    • Si r<0r < 0, la suite est strictement décroissante.
    • Si r=0r = 0, la suite est constante.

Somme des termes d'une suite arithmétique

La somme des NN premiers termes d'une suite arithmétique est donnée par une formule simple. Soit SN=up+up+1++unS_N = u_p + u_{p+1} + \dots + u_n. Le nombre de termes de cette somme est N=np+1N = n - p + 1. La formule de la somme est : SN=N×premier terme+dernier terme2S_N = N \times \frac{\text{premier terme} + \text{dernier terme}}{2} SN=(np+1)×up+un2S_N = (n - p + 1) \times \frac{u_p + u_n}{2}

Cas particulier : La somme des nn premiers entiers naturels non nuls : 1+2++n=n(n+1)21 + 2 + \dots + n = \frac{n(n+1)}{2}. Cette formule est un cas particulier d'une suite arithmétique de premier terme 1 et de raison 1.

Exemple : Calculer la somme des 100 premiers entiers naturels non nuls. S=1+2++100=100(100+1)2=100×1012=50×101=5050S = 1 + 2 + \dots + 100 = \frac{100(100+1)}{2} = \frac{100 \times 101}{2} = 50 \times 101 = 5050.

Exemple : Soit une suite arithmétique (un)(u_n) de premier terme u0=2u_0 = 2 et de raison r=4r=4. Calculer la somme des 15 premiers termes (de u0u_0 à u14u_{14}). Il y a 15 termes. Le dernier terme est u14=u0+14r=2+14×4=2+56=58u_{14} = u_0 + 14r = 2 + 14 \times 4 = 2 + 56 = 58. S15=15×u0+u142=15×2+582=15×602=15×30=450S_{15} = 15 \times \frac{u_0 + u_{14}}{2} = 15 \times \frac{2 + 58}{2} = 15 \times \frac{60}{2} = 15 \times 30 = 450. Cette formule est un gain de temps considérable par rapport à l'addition terme par terme.

Applications des suites arithmétiques

Les suites arithmétiques sont utilisées pour modéliser des phénomènes qui évoluent de manière linéaire ou par ajouts/retraits constants.

  • Croissance régulière / Décroissance régulière :

    • Salaires : Un salaire qui augmente de 50 € chaque année. Si le salaire initial est S0=1500S_0 = 1500€, alors Sn=1500+50nS_n = 1500 + 50n.
    • Intérêts simples : Un capital C0C_0 placé à un taux d'intérêt simple tt. Les intérêts ne sont calculés que sur le capital initial. Chaque année, les intérêts générés sont C0×tC_0 \times t. Le capital à la fin de l'année nn est Cn=C0+n×(C0×t)C_n = C_0 + n \times (C_0 \times t). C'est une suite arithmétique de raison r=C0×tr = C_0 \times t.
    • Production : Une entreprise qui augmente sa production de 100 unités par mois.
    • Usure : La hauteur d'une pile de papier qui diminue de 0,1 mm chaque jour.
  • Exemples concrets :

    • Un randonneur monte de 150 mètres toutes les heures. S'il part d'une altitude de 200m, son altitude après nn heures est An=200+150nA_n = 200 + 150n.
    • Le prix d'un article qui baisse de 2 € par semaine. Les suites arithmétiques sont le modèle de base pour toute situation où une quantité change par une addition ou soustraction constante.

Chapitre 3

Suites géométriques

Définition et propriétés

Une suite (un)(u_n) est dite géométrique si le rapport entre deux termes consécutifs est constant. Cette constante est appelée la raison de la suite, notée qq.

  • Définition par récurrence : Pour tout nNn \in \mathbb{N} (ou nn0n \ge n_0), un+1=un×qu_{n+1} = u_n \times q. On a besoin du premier terme u0u_0 (ou un0u_{n_0}) et de la raison qq. Exemple : u0=2u_0 = 2 et q=3q = 3. Alors u1=2×3=6u_1 = 2 \times 3 = 6, u2=6×3=18u_2 = 6 \times 3 = 18, etc.

  • Terme général (formule explicite) : Pour tout nNn \in \mathbb{N}, un=u0×qnu_n = u_0 \times q^n. Si le premier terme est upu_p, alors un=up×qnpu_n = u_p \times q^{n-p}. Cette formule est essentielle pour calculer directement un terme quelconque. Exemple : Suite géométrique de premier terme u0=2u_0 = 2 et de raison q=3q=3. u5=u0×q5=2×35=2×243=486u_5 = u_0 \times q^5 = 2 \times 3^5 = 2 \times 243 = 486.

  • Caractérisation : Trois termes a,b,ca, b, c sont consécutifs d'une suite géométrique si et seulement si b2=a×cb^2 = a \times c. (Le terme du milieu est la moyenne géométrique des deux autres, si les termes sont positifs).

  • Sens de variation : Le sens de variation d'une suite géométrique dépend du signe du premier terme u0u_0 et de la valeur de la raison qq.

    • Si u0>0u_0 > 0 :
      • q>1q > 1: la suite est strictement croissante.
      • 0<q<10 < q < 1: la suite est strictement décroissante.
      • q=1q = 1: la suite est constante.
      • q<0q < 0: la suite n'est pas monotone (les termes alternent de signe).
    • Si u0<0u_0 < 0 :
      • q>1q > 1: la suite est strictement décroissante.
      • 0<q<10 < q < 1: la suite est strictement croissante.
      • q=1q = 1: la suite est constante.
      • q<0q < 0: la suite n'est pas monotone.
    • Si u0=0u_0 = 0 ou q=0q=0 : la suite est constante à 0 (à partir de u1u_1 si u00u_0 \ne 0 et q=0q=0).

Somme des termes d'une suite géométrique

La somme des NN premiers termes d'une suite géométrique est donnée par une formule. Soit SN=up+up+1++unS_N = u_p + u_{p+1} + \dots + u_n. Le nombre de termes de cette somme est N=np+1N = n - p + 1.

  • Si q=1q = 1 : SN=N×upS_N = N \times u_p (car tous les termes sont égaux à upu_p).
  • Si q1q \ne 1 : SN=premier terme×1qnombre de termes1qS_N = \text{premier terme} \times \frac{1 - q^{\text{nombre de termes}}}{1 - q} SN=up×1qnp+11qS_N = u_p \times \frac{1 - q^{n-p+1}}{1 - q}

Exemple : Soit une suite géométrique (un)(u_n) de premier terme u0=3u_0 = 3 et de raison q=2q=2. Calculer la somme des 8 premiers termes (de u0u_0 à u7u_7). Il y a 8 termes. Le premier terme est u0=3u_0 = 3. La raison est q=2q=2. S8=u0×1q81q=3×12812=3×12561=3×2551=3×255=765S_8 = u_0 \times \frac{1 - q^8}{1 - q} = 3 \times \frac{1 - 2^8}{1 - 2} = 3 \times \frac{1 - 256}{-1} = 3 \times \frac{-255}{-1} = 3 \times 255 = 765. ==Attention à ne pas oublier le cas q=1q=1 où la formule est différente.==

Applications des suites géométriques

Les suites géométriques sont utilisées pour modéliser des phénomènes qui évoluent de manière exponentielle ou par multiplications/divisions constantes (pourcentages).

  • Croissance/décroissance proportionnelle :

    • Intérêts composés : Un capital C0C_0 placé à un taux d'intérêt annuel tt. Chaque année, les intérêts sont calculés sur le capital de l'année précédente (capital + intérêts accumulés). Le capital à la fin de l'année nn est Cn=C0×(1+t)nC_n = C_0 \times (1+t)^n. C'est une suite géométrique de raison q=1+tq = 1+t. Exemple : C0=1000C_0 = 1000€, t=5%t=5\%. Cn=1000×(1.05)nC_n = 1000 \times (1.05)^n.
    • Population : Une population qui augmente (ou diminue) d'un certain pourcentage chaque année. Si une population P0P_0 augmente de x%x\% chaque année, Pn=P0×(1+x/100)nP_n = P_0 \times (1 + x/100)^n.
    • Dépréciation : La valeur d'un bien qui perd y%y\% de sa valeur chaque année. La valeur Vn=V0×(1y/100)nV_n = V_0 \times (1 - y/100)^n.
    • Décroissance radioactive : La quantité d'une substance radioactive diminue d'un certain pourcentage par unité de temps.
  • Exemples concrets :

    • L'évolution du nombre de cas d'une épidémie si chaque personne contamine en moyenne 1.2 personnes.
    • Le rebond d'une balle qui perd 10% de sa hauteur à chaque rebond. Les suites géométriques sont fondamentales pour comprendre les phénomènes de croissance ou décroissance rapides.

Chapitre 4

Limites de suites

Notion de limite finie et infinie

La limite d'une suite décrit le comportement de ses termes lorsque nn devient très grand (tend vers l'infini).

  • Suite convergente (limite finie) : Une suite (un)(u_n) converge vers un réel LL si, lorsque nn devient très grand, les termes unu_n se rapprochent de LL autant que l'on veut. On écrit limn+un=L\lim_{n \to +\infty} u_n = L. Exemple : limn+1n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} = 0. La suite (1/n)(1/n) converge vers 0. Les termes (1,0.5,0.33,0.25,)(1, 0.5, 0.33, 0.25, \dots) se rapprochent de 0. Une suite convergente est nécessairement bornée.

  • Suite divergente (limite infinie ou pas de limite) : Une suite diverge si elle n'est pas convergente. Il y a deux cas :

    1. Limite infinie :
      • Limite ++\infty : Les termes unu_n deviennent arbitrairement grands et positifs. On écrit limn+un=+\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty. Exemple : limn+n2=+\lim_{n \to +\infty} n^2 = +\infty. La suite (n2)(n^2) diverge vers ++\infty.
      • Limite -\infty : Les termes unu_n deviennent arbitrairement grands en valeur absolue et négatifs. On écrit limn+un=\lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty. Exemple : limn+2n=\lim_{n \to +\infty} -2n = -\infty. La suite (2n)(-2n) diverge vers -\infty.
    2. Pas de limite : Les termes de la suite ne se rapprochent d'aucun nombre et ne tendent pas vers ++\infty ou -\infty. Exemple : La suite un=(1)nu_n = (-1)^n. Les termes sont (1,1,1,1,)( -1, 1, -1, 1, \dots). Elle n'a pas de limite. Exemple : La suite un=cos(n)u_n = \cos(n). Elle oscille entre -1 et 1 sans se stabiliser.

Opérations sur les limites

Les limites respectent des règles similaires à celles des fonctions. Soient deux suites (un)(u_n) et (vn)(v_n) et leurs limites LuL_u et LvL_v (qui peuvent être finies ou infinies).

Opérationlimun\lim u_nlimvn\lim v_nlim(un+vn)\lim (u_n + v_n)lim(un×vn)\lim (u_n \times v_n)lim(un/vn)\lim (u_n / v_n)
SommeLuL_uLvL_vLu+LvL_u + L_v
LuL_u++\infty++\infty
++\infty-\inftyF.I.
ProduitLu0L_u \ne 0++\infty±\pm \infty (selon signe LuL_u)
00±\pm \inftyF.I.
++\infty++\infty++\infty
QuotientLuL_uLv0L_v \ne 0Lu/LvL_u / L_v
Lu0L_u \ne 00+0^+±\pm \infty (selon signes)
Lu0L_u \ne 000^-\mp \infty (selon signes)
0000F.I.
±\pm \infty±\pm \inftyF.I.

F.I. signifie Forme Indéterminée. Ce sont les cas où la limite ne peut pas être déterminée directement par ces règles et nécessite une étude plus approfondie (factorisation, conjugué, comparaison, etc.). Les formes indéterminées sont : ++\infty - \infty, 0×(±)0 \times (\pm \infty), ±±\frac{\pm \infty}{\pm \infty}, 00\frac{0}{0}.

Théorèmes de convergence

Il existe des théorèmes clés pour déterminer la convergence d'une suite, surtout lorsqu'elle n'est pas explicite.

  1. Théorème des gendarmes (ou d'encadrement) : Si trois suites (un)(u_n), (vn)(v_n) et (wn)(w_n) vérifient :

    • Pour nn suffisamment grand, vnunwnv_n \le u_n \le w_n
    • limn+vn=L\lim_{n \to +\infty} v_n = L
    • limn+wn=L\lim_{n \to +\infty} w_n = L Alors, limn+un=L\lim_{n \to +\infty} u_n = L. Ce théorème est très utile pour les suites qui sont "prises en sandwich" entre deux autres suites qui convergent vers la même limite. Exemple : Soit un=sin(n)nu_n = \frac{\sin(n)}{n}. On sait que 1sin(n)1-1 \le \sin(n) \le 1. Donc, 1nsin(n)n1n\frac{-1}{n} \le \frac{\sin(n)}{n} \le \frac{1}{n}. Comme limn+1n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{-1}{n} = 0 et limn+1n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} = 0, alors limn+un=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0.
  2. Théorème de convergence des suites monotones et bornées :

    • Toute suite croissante et majorée converge.
    • Toute suite décroissante et minorée converge. Ce théorème est fondamental car il garantit l'existence d'une limite sans la calculer explicitement. Exemple : Une suite (un)(u_n) définie par un+1=un+2u_{n+1} = \sqrt{u_n + 2} avec u0=1u_0 = 1. On peut montrer par récurrence qu'elle est croissante et majorée par 2. Donc elle converge. Sa limite LL vérifiera L=L+2L = \sqrt{L+2}, ce qui donne L=2L=2.
  3. Limite des suites géométriques : Soit une suite géométrique (un)(u_n) de premier terme u00u_0 \ne 0 et de raison qq.

    • Si q>1q > 1, alors limn+qn=+\lim_{n \to +\infty} q^n = +\infty. (Si u0>0u_0 > 0, limun=+\lim u_n = +\infty; si u0<0u_0 < 0, limun=\lim u_n = -\infty).
    • Si q=1q = 1, alors limn+qn=1\lim_{n \to +\infty} q^n = 1. (La suite est constante, limun=u0\lim u_n = u_0).
    • Si 1<q<1-1 < q < 1, alors limn+qn=0\lim_{n \to +\infty} q^n = 0. (Donc limun=0\lim u_n = 0).
    • Si q1q \le -1, alors la suite diverge (pas de limite). Les termes alternent entre des valeurs positives et négatives de plus en plus grandes en valeur absolue (si q<1q < -1) ou entre u0u_0 et u0-u_0 (si q=1q = -1). La raison est le facteur clé pour déterminer la limite d'une suite géométrique.

Chapitre 5

Applications des suites en économie et finance

Modélisation de l'évolution d'un capital

Les suites sont des outils puissants pour modéliser des situations financières.

  • Intérêts simples : Le capital ne génère des intérêts que sur le montant initial. Le capital CnC_n à l'année nn est une suite arithmétique : Cn=C0+n×(C0×t)C_n = C_0 + n \times (C_0 \times t), où C0C_0 est le capital initial et tt le taux d'intérêt annuel. Exemple : Un capital de 10 000€ placé à 3% d'intérêt simple. Après 5 ans, C5=10000+5×(10000×0.03)=10000+5×300=10000+1500=11500C_5 = 10000 + 5 \times (10000 \times 0.03) = 10000 + 5 \times 300 = 10000 + 1500 = 11500€.

  • Intérêts composés : Les intérêts sont ajoutés au capital à la fin de chaque période et produisent eux-mêmes des intérêts pour la période suivante. Le capital CnC_n à l'année nn est une suite géométrique : Cn=C0×(1+t)nC_n = C_0 \times (1+t)^n. Exemple : Le même capital de 10 000€ placé à 3% d'intérêt composé. Après 5 ans, C5=10000×(1.03)510000×1.15927=11592.74C_5 = 10000 \times (1.03)^5 \approx 10000 \times 1.15927 = 11592.74€. On voit que les intérêts composés sont plus avantageux sur le long terme.

  • Placement à versements réguliers (annuités) : On dépose une somme fixe VV chaque année (ou période) sur un compte rémunéré à intérêts composés. La valeur acquise (montant total à la fin) est la somme des valeurs futures de chaque versement. Si on verse VV chaque année pendant NN ans à un taux tt, la valeur acquise SNS_N est la somme d'une suite géométrique : SN=V(1+t)N1+V(1+t)N2++V(1+t)1+VS_N = V(1+t)^{N-1} + V(1+t)^{N-2} + \dots + V(1+t)^1 + V. En réordonnant et utilisant la formule de la somme d'une suite géométrique de raison (1+t)(1+t) : SN=V×(1+t)N1tS_N = V \times \frac{(1+t)^N - 1}{t}. Ce calcul est essentiel pour la planification de l'épargne ou de la retraite.

Amortissement d'un emprunt

L'amortissement d'un emprunt est le processus de remboursement d'une dette sur une période donnée. On utilise souvent des annuités constantes (montants remboursés identiques à chaque période).

  • Soit CC le capital emprunté, tt le taux d'intérêt par période, NN le nombre de périodes, et AA l'annuité constante. L'annuité AA est composée d'une part d'intérêts et d'une part de capital remboursé (amortissement). Le capital restant dû à la fin de chaque période suit une suite récurrente complexe. Chaque annuité AA remboursée sert d'abord à payer les intérêts sur le capital restant dû, le reste diminue le capital. Si CkC_k est le capital restant dû après le kk-ième versement, alors : Ck=Ck1(amortissement du k-eˋme versement)C_k = C_{k-1} - (\text{amortissement du k-ème versement}). L'amortissement du k-ème versement est A(Ck1×t)A - (C_{k-1} \times t). Donc Ck=Ck1(ACk1×t)=Ck1(1+t)AC_k = C_{k-1} - (A - C_{k-1} \times t) = C_{k-1}(1+t) - A. C'est une suite arithmético-géométrique.

  • Le tableau d'amortissement détaille pour chaque période :

    • Le capital restant dû en début de période.
    • Les intérêts de la période.
    • La part de capital amortie.
    • L'annuité versée.
    • Le capital restant dû en fin de période. ==La formule pour calculer l'annuité constante AA est A=C×t1(1+t)NA = C \times \frac{t}{1 - (1+t)^{-N}}.==

Modèles de population et de production

Les suites permettent aussi de modéliser des évolutions démographiques ou économiques.

  • Croissance démographique : Si une population a un taux de natalité et de mortalité constants, son évolution peut être modélisée par une suite géométrique. Pn+1=Pn×(1+k)P_{n+1} = P_n \times (1+k), où kk est le taux de croissance net. Si k>0k>0, la population croît exponentiellement. Si k<0k<0, elle décroît. L'étude de la limite permet de voir si la population tend vers 0 (extinction) ou vers l'infini (explosion démographique, souvent irréaliste à long terme sans autres facteurs limitants).

  • Décroissance radioactive : La quantité de matière radioactive diminue de manière exponentielle. Une suite géométrique de raison q=eλΔtq = e^{-\lambda \Delta t} (où λ\lambda est la constante de désintégration) peut modéliser cette décroissance discrète.

  • Modèles de production avec amortissement/investissement : Une entreprise qui investit une partie de ses bénéfices chaque année, ou dont les machines se déprécient. Exemple : Un capital de production KnK_n qui se déprécie de 10% chaque année (suite géométrique de raison 0.9) mais qui est ensuite augmenté d'un investissement fixe de 100 unités (suite arithmético-géométrique : Kn+1=0.9Kn+100K_{n+1} = 0.9 K_n + 100). Ces suites peuvent avoir une limite finie, ce qui représente un état d'équilibre stable du capital de production. L'interprétation des limites est cruciale pour prédire le comportement à long terme de ces modèles. Par exemple, dans le cas Kn+1=0.9Kn+100K_{n+1} = 0.9 K_n + 100, la limite LL est telle que L=0.9L+100    0.1L=100    L=1000L = 0.9L + 100 \implies 0.1L = 100 \implies L = 1000. Le capital de production tendra vers 1000.

Après la lecture

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