La notion centrale de l’analyse est celle de limite, et on va l’aborder ici pour la première fois, dans le cadre simple des suites réelles. Définir rigoureusement ce que signifie “tendre vers L” est une des difficultés rencontrées dans ce cours. Nous allons donc commencer par le cas L=0 avant de passer au cas général.
3.2.1 Tendre vers zéro
Pour un réel x, “être proche de zéro” signifie que la distance qui le sépare de 0, à savoir dist(x,0)=∣x−0∣=∣x∣, est petite (dans un sens à définir). Donc pour voir si les valeurs d’une suite (an) s’approchent de zéro, il est naturel de considérer la distance dist(an,0)=∣an−0∣=∣an∣, et de quantifier précisément ce qu’on entend par “cette distance devient toujours plus petite à mesure que n augmente”. Une autre façon d’exprimer ce que l’on essaie de faire ici est de dire qu’une suite an tend vers zéro si ses éléments se concentrent dansdes régions de plus en plus petites autour de zéro, à mesureque l’indice n augmente. La description rigoureuse d’un tel comportement est la suivante:
Animation explicative
Définition 3.4.
On dit qu’une suite (an)tend vers zéro (lorsque n→∞) si pour tout ε>0 il existe un entier N (qui dépend de ε) tel que ∣an∣⩽ε pour tout n⩾N, c’est-à-dire tel que an∈[−ε,ε]∀n⩾N. On écrira alors n→∞liman=0, ou simplement an→0.
L’animation ci-dessous représente une suite (an)n⩾1 qui tend manifestement vers zéro. On pourra choisir un ε>0 (slider vertical à gauche), et trouver un N tel que an∈[−ε,ε] pour tout n⩾N:
Animation explicative
Exemple 3.11.
Considérons la suite an=n1,n⩾1. Montrons que cette suite tend vers zéro, dans le sens défini ci-dessus. Fixons un ε>0, et vérifions que l’on peut toujours trouver un entier N tel que ∣an∣⩽ε∀n⩾N.Pour ce faire, remarquons que la condition ∣an∣⩽ε est en fait équivalente à n1⩽ε, et comme cette dernière est équivalente à n⩾ε1. Pour l’entier N, on peut prendre n’importe quel entier plus grand ou égal à ε1. On peut par exemple prendre (rappelons que ⌊x⌋:=partie entière de x): N:=⌊ε1⌋+1. On a ainsi trouvé un entier N tel que n⩾N implique ∣an∣⩽ε.
Animation explicative
Informel 3.4.On voit, dans ce dernier exemple, comme le N cherché dépend de ε! Car en général, plus ε>0 est petit, plus il faut augmenter n pour faire rentrer an dans l’intervalle [−ε,ε].
3.2.2 Tendre vers L∈R
La définition de “tendre vers L” est seulement une adaptation de la définition de “tendre vers zéro”: pour que an tende vers L, il faut que la suite an′:=an−L tende vers zéro.
Définition 3.5.
Soit L∈R. On dit qu’une suite (an)tend vers L (lorsque n→∞) si pour tout ε>0 il existe un entier positif N tel que ∣an−L∣⩽ε pour tout n⩾N, c’est -à-dire tel que an∈[L−ε,L+ε]∀n⩾N. On dira alors que L est la limite de la suite (an), et on écrira n→∞liman=L ou simplement an→L.
Animation explicative
Lorsqu’il existe un L∈R tel que (an) tend vers L, on dit que la suite converge; si elle ne converge pas, on dit qu’elle diverge.
Exemple 3.12.
Considérons la suite (an)n⩾0 définie par an=2n+13n+2. Montrons, en utilisant la définition de limite donnée plus haut, que n→∞liman=23. Fixons donc un ε>0, et vérifions que l’on peut trouver un entier N tel que an−23⩽ε∀n⩾N. D’abord, écrivons explicitement la différence an−23=2n+13n+2−23=2(2n+1)1. On voit que cette dernière expression peut être rendue arbitrairement petite en prenant n suffisamment grand. Plus précisément: fixons un ε>0. Une simple manipulation montre que 2(2n+1)1⩽ε⟺n⩾21(2ε1−1). Pour N, il suffit donc de prendre n’importe quel entier plus grand ou égal à 21(2ε1−1). Pour être tout à fait précis, définissons (rappel: ⌊x⌋=valeur entière de x) N:=⌊21(2ε1−1)⌋+1. Par cette définition de N, n⩾N implique que ∣an−23∣⩽ε. On a donc bien montré que (an) est convergente, et que sa limite vaut 23. Remarquons que peu importe comment il est choisi, N devient de plus en plus grand à mesure que ε>0 devient plus petit.
Exemple 3.13.
Considérons la suite (an)n⩾1 définie par an=(−1)n. Comme cette suite ne prend que les valeurs +1 (lorsque n est pair) et −1 (lorsque n est impair), elle est nécessairement divergente. En effet, pour n’importe quel L∈R, si ε>0 est pris suffisamment petit (en fait: si 0<ε<21), alors il existe forcément une infinité d’indices n tels que an∈[L−ε,L+ε].
Animation explicative
Quiz 3.2.1.Soit (an) telle que an→0. Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont toujours vraies?
Quiz 3.2.2.Soit (an) une suite tendant vers L∈R. Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont toujours vraies?
Quiz 3.2.3.Soit (an) une suite qui ne tend pas vers L∈R. Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont toujours vraies?