Fiche de cours Logimaths | 1ère spécialité

Fiche de cours : Suites arithmétiques, suites géométriques

Les deux familles reines : + r à chaque pas, ou × q à chaque pas

I. Les suites arithmétiques : + r à chaque pas


Définition et terme général (u_n) est arithmétique de raison r si : u_{n+1} = u_n + r Autrement dit : d'un terme au suivant, on ajoute toujours le même nombre.

Déroulons depuis u0, un pas à la fois :

u_1 = u_0 + r1 pas
u_2 = u_0 + 2r2 pas
u_3 = u_0 + 3r3 pas
u_n = u_0 + nrn pas
Terme général : u_n = u_0 + nr Et si on part d'un autre terme que u0, disons u_p, il y a n − p pas à faire : u_n = u_p + (n - p)r Variations : croissante si r > 0, décroissante si r < 0.
Reconnaître une suite arithmétique On calcule u_{n+1} - u_n : si le résultat est constant (indépendant de n), la suite est arithmétique de raison cette constante.
Sur une liste de valeurs : 5 ; 8 ; 11 ; 14 → écarts constants de 3 : arithmétique. 1 ; 4 ; 9 ; 16 → écarts 3, 5, 7 : non.
🎮 Entraîne-toi : le terme général arithmétique
u(n) = u(0) + n × r : le point de départ plus n pas.

II. Les suites géométriques : × q à chaque pas


Définition et terme général (u_n) est géométrique de raison q si : u_{n+1} = q \times u_n Autrement dit : d'un terme au suivant, on multiplie toujours par le même nombre.

Le même déroulé, depuis u0 :

u_1 = u_0 \times q1 pas
u_2 = u_0 \times q^22 pas
u_3 = u_0 \times q^33 pas
u_n = u_0 \times q^nn pas
Terme général : u_n = u_0 \times q^n Variations (pour u_0 > 0) : croissante si q > 1, décroissante si 0 < q < 1.
C'est la suite des évolutions en pourcentage : « +5 % par an » = géométrique de raison 1,05 ; « −20 % » = raison 0,8.
⚠️ + r ou × q : le test des écarts et des quotients Sur 2 ; 6 ; 18 ; 54 : les écarts (4, 12, 36) changent, mais les quotients valent tous 3 : géométrique. Une suite qui n'a ni écart constant ni quotient constant n'est ni arithmétique ni géométrique (exemple : les carrés 1, 4, 9, 16).
🎮 Entraîne-toi : arithmétique, géométrique ou ni ?
Teste les écarts (constants ?) puis les quotients (constants ?).
🎮 Entraîne-toi : le terme général géométrique
u(n) = u(0) × q puissance n : le point de départ multiplié n fois.

III. Le tableau qui compare tout


🔑 L'idée qui unifie tout : (n − k), c'est un NOMBRE DE PAS Passer d'un terme au suivant, c'est faire un pas. Pour aller de u_k à u_n, on fait donc n − k pas : c'est tout ce que dit l'indice.
Arithmétique : à chaque pas on ajoute r, donc on ajoute r exactement n − k fois.
Géométrique : à chaque pas on multiplie par q, donc on multiplie par q exactement n − k fois.
Il n'y a donc rien à apprendre par cœur dans le tableau ci-dessous : chaque ligne se retrouve en comptant les pas. Dans les formules, l'encadré est toujours le nombre de pas.
On part de… Nombre de pas Arithmétique (raison r) Géométrique (raison q)
le terme précédent 1 pas u_{n+1} = u_n + r u_{n+1} = q \times u_n
u_0 n pas u_n = u_0 + \boxed{n}\,r u_n = u_0 \times q^{\boxed{n}}
u_1 n − 1 pas u_n = u_1 + \boxed{n-1}\,r u_n = u_1 \times q^{\boxed{n-1}}
u_2 n − 2 pas u_n = u_2 + \boxed{n-2}\,r u_n = u_2 \times q^{\boxed{n-2}}
u_k n − k pas u_n = u_k + \boxed{n-k}\,r u_n = u_k \times q^{\boxed{n-k}}
⚠️ L'erreur classique : partir de u₁ et garder n Beaucoup d'élèves écrivent {u_n = u_1 + n\,r} quand la suite commence à u_1. C'est faux : de u_1 à u_n il y a n-1 pas, pas n.
Le test qui sauve : remplace n par la valeur du rang de départ. Avec n=1, la bonne formule donne u_1 + 0 \times r = u_1 ✔ ; la fausse donne u_1 + r ✘. Fais ce contrôle à chaque fois.
👆 À toi : (un) est arithmétique, u2 = 7 et r = 5. Calcule u12, puis vérifie
1. Compter les pas de u2 à u12 : 12 - 2 = 10 pas.
2. Ajouter r autant de fois : \begin{aligned}u_{12} &= u_2 + 10 \times 5 \\ &= 7 + 50 \\ &= 57\end{aligned}
Piège évité : u_2 + 12 \times 5 = 67 serait faux, on n'a pas fait 12 pas.

IV. L'atelier des pas : déplace le point de départ


Comment s'en servir Choisis la mécanique (+ r ou × q), règle le premier terme et la raison, puis déplace la poignée k : le point de départ bouge, et les arcs comptent les pas qui restent à faire jusqu'au rang n. C'est ce comptage, et lui seul, qui donne l'exposant (ou le coefficient) de la formule.
un n k (départ) n (visé)
Attrape la poignée k ou la poignée n sur l'axe du bas (ou utilise les curseurs) : les arcs comptent les pas effectués. Le graphe du haut est un nuage de points, jamais une courbe : une suite n'existe qu'aux rangs entiers.
🎮 Entraîne-toi : partir d'un rang autre que 0
Compte les pas AVANT de calculer.
🎮 Entraîne-toi : combien de pas, combien de termes ?
Ce ne sont pas les mêmes nombres : il y a toujours un terme de plus que de pas.
Nombre de pas
Nombre de termes

V. Variations : ne transpose pas d'une suite à l'autre


Arithmétique : un seul signe à regarder \begin{aligned}u_{n+1} - u_n &= (u_n + r) - u_n \\ &= r\end{aligned}
La différence ne dépend ni de n, ni de u₀ : c'est toujours r. Donc :
  • r > 0 → suite croissante ;
  • r < 0 → suite décroissante ;
  • r = 0 → suite constante.
Aucune condition, aucun cas particulier : le signe de r décide seul.
⚠️ Ne transpose pas cette règle à la géométrique Écrire « q > 1 donc croissante » sans regarder u_0 est l'erreur la plus fréquente du chapitre. Pour une géométrique, le sens de variation dépend de deux signes, pas d'un seul.
Géométrique : deux signes, donc un produit \begin{aligned}u_{n+1} - u_n &= q\,u_n - u_n \\ &= u_n\,(q-1) \\ &= u_0\,q^{\,n}\,(q-1)\end{aligned}
Le sens de variation est donné par le signe de ce produit, donc par le signe de u_0 et celui de q-1 (et par celui de q^{\,n}, qui n'est constant que si q > 0).
Cassigne de q-1signe de u_0Conclusion
q > 1++croissante (elle explose vers le haut)
q > 1+décroissante (elle plonge vers le bas)
0 < q < 1+décroissante (elle s'écrase vers 0)
0 < q < 1croissante (elle remonte vers 0)
q = 10peu importeconstante
q < 0peu importeni croissante ni décroissante : les termes alternent
⚠️ Le cas oublié : q < 0, la suite n'est PAS monotone Si q < 0, alors q^{\,n} est positif pour n pair et négatif pour n impair : les termes sautent au-dessus puis au-dessous de l'axe. Elle monte, puis descend, puis remonte… donc elle n'est ni croissante, ni décroissante.
Réponse attendue en devoir : « la suite n'est pas monotone », et non « décroissante » sous prétexte que la raison est négative.
un n O 10 20 −10 −20 −30 123 456 7
Suite géométrique de premier terme u_0 = 2 et de raison q = -1{,}5 : 2 ; −3 ; 4,5 ; −6,75 ; 10,125 ; … Les points sautent d'un côté à l'autre de l'axe. Aucune monotonie possible. Remarque : ce sont bien des points isolés, jamais une courbe : la suite n'a de valeur qu'aux rangs entiers.
🎮 Entraîne-toi : croissante, décroissante… ou ni l'une ni l'autre ?
Regarde le signe de u₀ autant que celui de la raison.

VI. Les deux sommes à connaître


Somme des entiers, somme des puissances
  • 1 + 2 + 3 + \dots + n = \dfrac{n(n+1)}{2} (la légende de Gauss enfant : on plie la somme en deux) ;
  • pour q ≠ 1 : {1 + q + q^2 + \dots + q^n = \dfrac{1 - q^{n+1}}{1 - q}}.
Mémo pour une somme de termes consécutifs :
  • arithmétique : (nombre de termes) × \dfrac{\text{premier} + \text{dernier}}{2} ;
  • géométrique : premier terme × \dfrac{1 - q^{\text{nombre de termes}}}{1 - q}.
Exemple rédigé \begin{aligned}1 + 2 + \dots + 100 &= \dfrac{100 \times 101}{2} \\ &= 5050\end{aligned}
\begin{aligned}1 + 2 + 4 + \dots + 2^{10} &= \dfrac{1 - 2^{11}}{1 - 2} \\ &= 2^{11} - 1 \\ &= 2047\end{aligned}
⚠️ Compter les termes : de u_3 à u_{12}, il y a 12 − 3 + 1 = 10 termes, pas 9.
🎮 Entraîne-toi : la somme de Gauss
n(n + 1) divisé par 2 : plie la somme en deux.

VII. Modéliser : absolu ou relatif ?


Le bon modèle en une question « De combien ça évolue à chaque étape ? »
  • D'une quantité fixe (+150 abonnés, −30 litres) : suite arithmétique, croissance linéaire ;
  • d'un pourcentage fixe (+3 %, −15 %) : suite géométrique, croissance exponentielle ;
  • des deux (−10 % puis +50) : suite arithmético-géométrique {u_{n+1} = au_n + b}, étudiée via une suite auxiliaire (souvent guidée dans les sujets).
⚠️ La croissance géométrique finit toujours par gagner Un salaire qui gagne 100 € par an (arithmétique) contre un salaire qui gagne 2 % par an (géométrique) : le second paraît plus lent au début, mais les puissances de 1,02 finissent par dépasser n'importe quelle droite. Comparer les deux modèles est un grand classique des sujets.
👆 À toi : une ville de 20 000 habitants gagne 4 % par an. Modèle, et population dans 2 ans ? Vérifie
Géométrique de raison 1,04 : \begin{aligned}u_2 &= 20\,000 \times 1{,}04^2 \\ &= 21\,632\end{aligned} habitants.