Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Sequence and series

Quelques suites bornées qui convergent toujours

by Sequoia·
54
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Soit α∈C\alpha\in\mathbb{C} tel que ∣α∣≠1\vert \alpha\vert\neq1 et soit uu une suite complexe telle que un+1−α un ⟶n→+∞0u_{n+1}-\alpha\,u_n\,\underset{n\to +\infty}{\longrightarrow} 0

  1. Nous supposons dans cette question que uu est bornée. Montrer que uu converge.

  2. Pour quelles valeurs de α\alpha le résultat de la question précédente peut-il se généraliser si uu n’est plus supposée bornée ?

  3. Montrer que la suite (einθ)n∈N(e^{in\theta})_{n\in\N} diverge pour tout θ∈R\2πZ\theta\in\mathbb{R}\backslash 2\pi\mathbb{Z}. Conclure alors dans le cas ∣α∣=1\vert\alpha\vert=1.

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  1. Posons vn=un+1−αunv_n=u_{n+1}-\alpha u_n, ainsi vn→0v_n\to 0 et un+1=αun+vnu_{n+1}=\alpha u_n+v_n.
    Cas ∣α∣<1|\alpha|<1. Par récurrence immédiate,
    un=αnu0+∑k=0n−1α n−1−kvk.u_n=\alpha^n u_0+\sum_{k=0}^{n-1}\alpha^{\,n-1-k}v_k.Soit ε>0\varepsilon>0 et NN tel que ∣vk∣≤ε|v_k|\leq\varepsilon pour k≥Nk\geq N. En scindant la somme,
    ∣∑k=0n−1α n−1−kvk∣≤∣α∣ n−N∑k=0N−1∣α∣N−1−k∣vk∣+ε1−∣α∣.\Big|\sum_{k=0}^{n-1}\alpha^{\,n-1-k}v_k\Big|\leq |\alpha|^{\,n-N}\sum_{k=0}^{N-1}|\alpha|^{N-1-k}|v_k|+\frac{\varepsilon}{1-|\alpha|}.Le premier terme tend vers 00 quand n→+∞n\to+\infty (NN étant fixé), ainsi que αnu0\alpha^nu_0. Donc lim sup⁡∣un∣≤ε1−∣α∣\limsup|u_n|\leq \dfrac{\varepsilon}{1-|\alpha|} pour tout ε>0\varepsilon>0, c’est-à-dire un→0u_n\to 0. Noter que l’hypothèse bornée n’a pas servi.

Cas ∣α∣>1|\alpha|>1. On renverse la relation : un=un+1−vnαu_n=\dfrac{u_{n+1}-v_n}{\alpha}, puis par récurrence sur pp,
un=un+pαp−∑j=0p−1vn+jα j+1.u_n=\frac{u_{n+p}}{\alpha^p}-\sum_{j=0}^{p-1}\frac{v_{n+j}}{\alpha^{\,j+1}}.Comme uu est bornée et ∣α∣>1|\alpha|>1, le terme un+p/αpu_{n+p}/\alpha^p tend vers 00 quand p→+∞p\to+\infty ; la série converge absolument, d’où
un=−∑j≥0vn+jα j+1,donc∣un∣≤sup⁡k≥n∣vk∣∣α∣−1→n→+∞0.u_n=-\sum_{j\geq 0}\frac{v_{n+j}}{\alpha^{\,j+1}},\qquad\text{donc}\qquad |u_n|\leq \frac{\sup_{k\geq n}|v_k|}{|\alpha|-1}\xrightarrow[n\to+\infty]{}0.Dans les deux cas uu converge, et sa limite est 00. C’est cohérent : si un→ℓu_n\to \ell, le passage à la limite dans un+1−αun→0u_{n+1}-\alpha u_n\to 0 donne (1−α)ℓ=0(1-\alpha)\ell=0, et α≠1\alpha\neq 1 puisque ∣α∣≠1|\alpha|\neq 1.

  1. Le résultat se généralise pour ∣α∣<1|\alpha|<1 (déjà montré).
    Si ∣α∣>1|\alpha|>1, prendre un=αnu_n=\alpha^n : alors un+1−αun=0u_{n+1}-\alpha u_n=0, mais ∣un∣=∣α∣n→+∞|u_n|=|\alpha|^n\to+\infty et uu diverge.

  2. Supposons einθ→Le^{in\theta}\to L. En passant à la limite dans ei(n+1)θ=eiθeinθe^{i(n+1)\theta}=e^{i\theta}e^{in\theta}, on obtient L=eiθLL=e^{i\theta}L. Or ∣L∣=lim⁡∣einθ∣=1|L|=\lim|e^{in\theta}|=1, donc L≠0L\neq 0 et eiθ=1e^{i\theta}=1, soit θ∈2πZ\theta\in 2\pi\mathbb{Z} : contradiction.
    Conclusion pour ∣α∣=1|\alpha|=1. Le résultat de la question 1 tombe en défaut.

Si α=eiθ\alpha=e^{i\theta} avec θ∉2πZ\theta\notin 2\pi\mathbb{Z}, la suite un=αnu_n=\alpha^n est bornée et vérifie un+1−αun=0u_{n+1}-\alpha u_n=0, mais elle diverge d’après ce qui précède.

Si α=1\alpha=1, prendre un=sin⁡(n)u_n=\sin(\sqrt n). Elle est bornée et, par l’inégalité des accroissements,
∣un+1−un∣≤sup⁡x≥n∣cos⁡(ln⁡x)∣x≤1n⟶0.\left|u_{n+1}-u_n\right| \leq \sup _{x \geq n} \frac{|\cos (\ln x)|}{x} \leq \frac{1}{n} \longrightarrow 0 .Pour kk entier, posons
nk=⌈eπ/2+2kπ⌉,mk=⌈e−π/2+2kπ⌉.n_k=\left\lceil e^{\pi / 2+2 k \pi}\right\rceil, \quad m_k=\left\lceil e^{-\pi / 2+2 k \pi}\right\rceil .Alors ln⁡nk=π2+2kπ+δk\ln n_k=\frac{\pi}{2}+2 k \pi+\delta_k avec 0≤δk≤ln⁡(1+e−π/2−2kπ)→00 \leq \delta_k \leq \ln \left(1+e^{-\pi / 2-2 k \pi}\right) \rightarrow 0, donc unk=u_{n_k}= sin⁡(ln⁡nk)→1\sin \left(\ln n_k\right) \rightarrow 1. De même umk→−1u_{m_k} \rightarrow-1. Deux sous-suites de limites distinctes : uu diverge.

Bilan : la propriété « uu bornée et un+1−αun→0u_{n+1}-\alpha u_n\to 0 ⇒\Rightarrow uu converge » vaut si et seulement si ∣α∣≠1|\alpha|\neq 1, et sans l’hypothèse bornée si et seulement si ∣α∣<1|\alpha|<1.

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