درس Généralités sur les suites numériques — الأولى باك علوم تجريبية

درس «Généralités sur les suites numériques» لتلاميذ الأولى باك علوم تجريبية بالفرنسية والعربية: Suite numérique - Suite explicite et suite récurrente - Suites majorées, minorées, bornées - Monotonie - Suites arithmétiques et géométriques. Cours Généralités sur les suites numériques — 1ère année Bac…

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Suite numérique

Définition

Soit $p$ un entier naturel et $I=\{n\in\mathbb{N}\ /\ n\geq p\}$.

Une suite numérique est une fonction $u$ de $I$ vers $\mathbb{R}$ qui à chaque entier $n$ associe un réel noté $u_n$.

  • $u_n$ est le terme général (ou terme de rang $n$) ;
  • la suite se note $(u_n)_{n\geq p}$ ; si $p=0$ : $(u_n)_{n\in\mathbb{N}}$ ; $u_p$ est le premier terme.

Remarque

[!] Ne pas confondre $u_{n+1}$ (le terme suivant $u_n$) et $u_n+1$ (le terme $u_n$ augmenté de $1$).

Suite définie par une formule explicite

Définition

Une suite est définie de façon explicite si son terme général s’écrit directement en fonction de $n$ : $u_n=f(n)$.

>> On peut alors calculer n’importe quel terme directement.

Exemple

Soit $(u_n)_{n\in\mathbb{N}}$ définie par $u_n=2n-7$.

$u_0=2\times0-7=-7$ ; $u_1=2\times1-7=-5$

$u_{100}=2\times100-7=193$

Et $u_{n+1}=2(n+1)-7=2n-5$.

Suite récurrente

Définition

Une suite est récurrente si on calcule chaque terme à partir du (ou des) terme(s) précédent(s).

  • Forme $u_{n+1}=f(u_n)$ : il faut connaître le premier terme $u_0$.
  • Forme $u_{n+2}=f(u_{n+1},u_n)$ : il faut connaître $u_0$ et $u_1$.

Exemple Récurrence d’ordre 1

$\begin{cases}v_0=1\\v_{n+1}=3v_n-4\end{cases}$

$v_1=3\times1-4=-1$

$v_2=3\times(-1)-4=-7$

$v_3=3\times(-7)-4=-25$

Exemple Récurrence d’ordre 2

$\begin{cases}T_0=1\ ;\ T_1=2\\T_{n+2}=T_{n+1}+2T_n\end{cases}$

$T_2=T_1+2T_0=2+2=4$

$T_3=T_2+2T_1=4+4=8$

Erreur fréquente

  • Pour une suite récurrente, on ne peut pas calculer $u_{100}$ directement : il faut tous les termes avant (ou trouver une formule explicite).

Suites majorées, minorées, bornées

Définition

Soit $(u_n)_{n\geq p}$ une suite numérique.

  • $(u_n)$ est majorée s’il existe un réel $M$ tel que : $(\forall n\geq p)\ u_n\leq M$.
  • $(u_n)$ est minorée s’il existe un réel $m$ tel que : $(\forall n\geq p)\ u_n\geq m$.
  • $(u_n)$ est bornée si elle est majorée et minorée : $(\forall n\geq p)\ m\leq u_n\leq M$.

Méthode Montrer que $(u_n)$ est majorée par $M$

  • Suite explicite : on étudie le signe de $u_n-M$ (on montre $u_n-M\leq0$).
  • Suite récurrente : on utilise le raisonnement par récurrence.

Exemple Suite explicite

$u_n=\dfrac{2n+3}{n+1}$, $n\in\mathbb{N}$. Montrer que $(\forall n\in\mathbb{N})\ 2<u_n\leq3$.

$u_n-2=\dfrac{2n+3-2(n+1)}{n+1}$

$=\dfrac{1}{n+1}>0$

donc $u_n>2$ : $(u_n)$ est minorée par $2$.

$u_n-3=\dfrac{2n+3-3(n+1)}{n+1}$

$=\dfrac{-n}{n+1}\leq0$

donc $u_n\leq3$ : $(u_n)$ est majorée par $3$.

$(u_n)$ est bornée : $(\forall n\in\mathbb{N})\ 2<u_n\leq3$

Exemple Suite récurrente

$u_0=1$ et $u_{n+1}=\sqrt{u_n+2}$. Montrer par récurrence que $(\forall n\in\mathbb{N})\ 0<u_n<2$.

Initialisation : $u_0=1$ et $0<1<2$ ✔.

Hérédité : supposons $0<u_n<2$ et montrons $0<u_{n+1}<2$.

$0<u_n<2\Rightarrow2<u_n+2<4$

$\Rightarrow\sqrt{2}<\sqrt{u_n+2}<2$ (la racine carrée est croissante)

$\Rightarrow0<u_{n+1}<2$ ✔

Par récurrence : $(\forall n\in\mathbb{N})\ 0<u_n<2$

Monotonie d’une suite

Définition

Soit $(u_n)_{n\geq p}$ une suite numérique.

  • $(u_n)$ est croissante si $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}\geq u_n$ ;
  • strictement croissante si $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}>u_n$ ;
  • décroissante si $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}\leq u_n$ ; strictement décroissante si $u_{n+1}<u_n$ ;
  • constante si $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}=u_n$ ; monotone si elle est croissante ou décroissante.

Méthode Étudier la monotonie

  • Méthode 1 : on étudie le signe de $u_{n+1}-u_n$.
  • Méthode 2 (si tous les $u_n>0$) : on compare $\dfrac{u_{n+1}}{u_n}$ à $1$.
  • Méthode 3 (si $u_n=f(n)$) : $f$ monotone sur $[p;+\infty[$ ⇒ $(u_n)$ a la même monotonie.

Exemple Méthode 1

$u_n=\dfrac{2n+3}{n+1}$

$u_{n+1}-u_n=\dfrac{2n+5}{n+2}-\dfrac{2n+3}{n+1}$

$=\dfrac{(2n+5)(n+1)-(2n+3)(n+2)}{(n+1)(n+2)}$

$=\dfrac{2n^2+7n+5-2n^2-7n-6}{(n+1)(n+2)}$

$=\dfrac{-1}{(n+1)(n+2)}<0$

$(u_n)$ est strictement décroissante

Exemple Méthode 2

$w_n=\dfrac{2^n}{n}$ pour $n\geq1$ : tous les termes sont strictement positifs.

$\dfrac{w_{n+1}}{w_n}=\dfrac{2^{n+1}}{n+1}\times\dfrac{n}{2^n}$

$=\dfrac{2n}{n+1}$

Or $2n\geq n+1$ pour $n\geq1$, donc $\dfrac{w_{n+1}}{w_n}\geq1$.

$(w_n)_{n\geq1}$ est croissante

Exemple Suite récurrente

$u_0=1$, $u_{n+1}=\sqrt{u_n+2}$ et on sait que $0<u_n<2$. On utilise le conjugué :

$u_{n+1}-u_n=\sqrt{u_n+2}-u_n$

$=\dfrac{u_n+2-u_n^2}{\sqrt{u_n+2}+u_n}$

$=\dfrac{(2-u_n)(1+u_n)}{\sqrt{u_n+2}+u_n}$

$2-u_n>0$, $1+u_n>0$ et le dénominateur est positif, donc $u_{n+1}-u_n>0$.

$(u_n)$ est strictement croissante

Remarque

  • Si $(u_n)_{n\geq p}$ est croissante, elle est minorée par son premier terme $u_p$.
  • Si $(u_n)_{n\geq p}$ est décroissante, elle est majorée par $u_p$.

Suites arithmétiques

Définition

Définition

$(u_n)_{n\geq p}$ est arithmétique s’il existe un réel $r$ tel que : $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}=u_n+r$.

Le réel $r$ est la raison de la suite.

Méthode Montrer qu’une suite est arithmétique

On calcule $u_{n+1}-u_n$ : si le résultat est une constante $r$ (ne dépend pas de $n$), la suite est arithmétique de raison $r$.

Exemple

$u_n=3n-5$

$u_{n+1}-u_n=3(n+1)-5-(3n-5)$

$=3$

$(u_n)$ est arithmétique de raison $r=3$ et de premier terme $u_0=-5$

Exemple Contre-exemple

$v_n=n^2$ : $v_1-v_0=1$ mais $v_2-v_1=3$.

La différence n’est pas constante : $(v_n)$ n’est pas arithmétique

Terme général et propriété caractéristique

Propriété

Si $(u_n)$ est arithmétique de raison $r$ :

$(\forall n,m\geq p)\ u_n=u_m+(n-m)r$

En particulier : $u_n=u_0+nr$ et $u_n=u_1+(n-1)r$.

Propriété caractéristique : trois nombres $a$, $b$, $c$ sont des termes consécutifs d’une suite arithmétique $\iff2b=a+c$.

Remarque Monotonie

$u_{n+1}-u_n=r$, donc :

  • $r>0$ : $(u_n)$ est strictement croissante ;
  • $r<0$ : $(u_n)$ est strictement décroissante ;
  • $r=0$ : $(u_n)$ est constante.

Exemple

$(u_n)$ arithmétique avec $u_3=9$ et $u_7=1$. Trouver $r$ puis $u_n$.

$u_7=u_3+(7-3)r\iff1=9+4r$

$\iff r=-2$

$u_n=u_3+(n-3)r=9-2(n-3)$

$r=-2$ et $u_n=15-2n$

Somme de termes consécutifs

Propriété

Si $(u_n)$ est arithmétique, la somme de termes consécutifs est :

$S=N\times\dfrac{u_p+u_n}{2}$

avec $N=n-p+1$ le nombre de termes de $u_p+u_{p+1}+\cdots+u_n$.

>> Notation : $u_p+u_{p+1}+\cdots+u_n=\sum\limits_{k=p}^{n}u_k$.

Réponse Démonstration

On écrit la somme dans les deux sens et on additionne terme à terme :

$S=u_p+u_{p+1}+\cdots+u_n$

$S=u_n+u_{n-1}+\cdots+u_p$

Chaque colonne vaut $u_p+u_n$ (on ajoute $r$ en haut et on retranche $r$ en bas), et il y a $N$ colonnes :

$2S=N(u_p+u_n)$

$S=N\times\dfrac{u_p+u_n}{2}$

Exemple

1) $1+2+3+\cdots+n$ : $n$ termes d’une suite arithmétique de raison $1$.

$1+2+\cdots+n=\dfrac{n(n+1)}{2}$

2) $u_n=15-2n$ : $S=u_0+u_1+\cdots+u_{10}$ a $11$ termes, $u_0=15$ et $u_{10}=-5$.

$S=11\times\dfrac{15+(-5)}{2}$

$S=55$

Erreur fréquente

  • De $u_0$ à $u_{10}$ il y a $11$ termes (et non $10$) : $N=n-p+1$.

Suites géométriques

Définition

Définition

$(u_n)_{n\geq p}$ est géométrique s’il existe un réel $q$ tel que : $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}=q\,u_n$.

Le réel $q$ est la raison de la suite.

Méthode Montrer qu’une suite est géométrique

On exprime $u_{n+1}$ en fonction de $u_n$ et on fait apparaître $u_{n+1}=q\,u_n$ avec $q$ constant.

>> Si les termes sont non nuls, on peut aussi calculer $\dfrac{u_{n+1}}{u_n}$.

Exemple

$u_n=3\times2^n$

$u_{n+1}=3\times2^{n+1}=2\times(3\times2^n)$

$=2u_n$

$(u_n)$ est géométrique de raison $q=2$ et de premier terme $u_0=3$

Terme général et propriété caractéristique

Propriété

Si $(u_n)$ est géométrique de raison $q$ :

$(\forall n,m\geq p)\ u_n=u_m\times q^{n-m}$

En particulier : $u_n=u_0\times q^n$.

Propriété caractéristique : $a$, $b$, $c$ sont des termes consécutifs d’une suite géométrique $\iff b^2=ac$.

Remarque Monotonie (pour $u_0>0$)

  • $q>1$ : $(u_n)$ est strictement croissante ;
  • $0<q<1$ : $(u_n)$ est strictement décroissante ;
  • $q=1$ : $(u_n)$ est constante ; $q<0$ : les termes changent de signe, $(u_n)$ n’est pas monotone.

Exemple Placement à intérêts composés

On place $10000$ DH à $5\%$ par an. $C_n$ est le capital après $n$ années.

Chaque année le capital est multiplié par $1+\dfrac{5}{100}=1{,}05$ : $C_{n+1}=1{,}05\,C_n$.

$(C_n)$ est géométrique de raison $1{,}05$ : $C_n=10000\times1{,}05^n$

Somme de termes consécutifs

Propriété

Si $(u_n)$ est géométrique de raison $q\neq1$, la somme de $N$ termes consécutifs à partir de $u_p$ est :

$S=u_p\times\dfrac{1-q^N}{1-q}$

Si $q=1$, tous les termes sont égaux et $S=N\,u_p$.

Exemple

$S=1+2+2^2+\cdots+2^{10}$ : $11$ termes d’une suite géométrique de premier terme $1$ et de raison $2$.

$S=1\times\dfrac{1-2^{11}}{1-2}$

$=2^{11}-1$

$S=2047$

Application Suite auxiliaire

$u_0=5$ et $u_{n+1}=\dfrac{1}{2}u_n+1$. On pose $v_n=u_n-2$.

1. Montrer que $(v_n)$ est géométrique.

2. En déduire $v_n$ puis $u_n$ en fonction de $n$.

Réponse

$v_{n+1}=u_{n+1}-2=\dfrac{1}{2}u_n+1-2$

$=\dfrac{1}{2}u_n-1$

$=\dfrac{1}{2}(u_n-2)=\dfrac{1}{2}v_n$

1) $(v_n)$ est géométrique de raison $\dfrac{1}{2}$ et $v_0=u_0-2=3$

$v_n=3\times\left(\dfrac{1}{2}\right)^n$ et $u_n=v_n+2$

2) $u_n=2+3\times\left(\dfrac{1}{2}\right)^n$

Erreur fréquente

  • Arithmétique : on ajoute $r$ ; géométrique : on multiplie par $q$.
  • Dans $S=u_p\dfrac{1-q^N}{1-q}$, l’exposant $N$ est le nombre de termes, pas le dernier indice.

À retenir

  • Majorée / minorée : signe de $u_n-M$ ou récurrence ; monotonie : signe de $u_{n+1}-u_n$.
  • Arithmétique : $u_{n+1}=u_n+r$, $u_n=u_p+(n-p)r$, $S=N\times\dfrac{u_p+u_n}{2}$.
  • Géométrique : $u_{n+1}=q\,u_n$, $u_n=u_p\,q^{n-p}$, $S=u_p\dfrac{1-q^N}{1-q}$ ($q\neq1$).

النسخة العربية

المتتالية العددية

تعريف

ليكن $p$ عدداً صحيحاً طبيعياً و $I=\{n\in\mathbb{N}\ /\ n\geq p\}$.

المتتالية العددية دالة $u$ من $I$ نحو $\mathbb{R}$ تربط كل عدد صحيح $n$ بعدد حقيقي نرمز له بـ $u_n$.

  • $u_n$ هو الحد العام (أو الحد ذو الرتبة $n$) ؛
  • نرمز للمتتالية بـ $(u_n)_{n\geq p}$ ؛ إذا كان $p=0$ : $(u_n)_{n\in\mathbb{N}}$ ؛ و $u_p$ هو الحد الأول.

ملاحظة

[!] لا نخلط بين $u_{n+1}$ (الحد الموالي لـ $u_n$) و $u_n+1$ (الحد $u_n$ مضافاً إليه $1$).

متتالية معرفة بصيغة صريحة

تعريف

تكون المتتالية معرفة بصيغة صريحة إذا كتب حدها العام مباشرة بدلالة $n$ : $u_n=f(n)$.

>> يمكن إذن حساب أي حد مباشرة.

مثال

لتكن $(u_n)_{n\in\mathbb{N}}$ المعرفة بـ $u_n=2n-7$.

$u_0=2\times0-7=-7$ ; $u_1=2\times1-7=-5$

$u_{100}=2\times100-7=193$

و $u_{n+1}=2(n+1)-7=2n-5$.

المتتالية الترجعية

تعريف

تكون المتتالية ترجعية إذا حسبنا كل حد انطلاقاً من الحد (أو الحدود) السابق(ة).

  • الشكل $u_{n+1}=f(u_n)$ : يجب معرفة الحد الأول $u_0$.
  • الشكل $u_{n+2}=f(u_{n+1},u_n)$ : يجب معرفة $u_0$ و $u_1$.

مثال ترجعية من الرتبة 1

$\begin{cases}v_0=1\\v_{n+1}=3v_n-4\end{cases}$

$v_1=3\times1-4=-1$

$v_2=3\times(-1)-4=-7$

$v_3=3\times(-7)-4=-25$

مثال ترجعية من الرتبة 2

$\begin{cases}T_0=1\ ;\ T_1=2\\T_{n+2}=T_{n+1}+2T_n\end{cases}$

$T_2=T_1+2T_0=2+2=4$

$T_3=T_2+2T_1=4+4=8$

خطأ شائع

  • بالنسبة لمتتالية ترجعية لا يمكن حساب $u_{100}$ مباشرة : يجب كل الحدود قبله (أو إيجاد صيغة صريحة).

المتتاليات المكبورة والمصغورة والمحدودة

تعريف

لتكن $(u_n)_{n\geq p}$ متتالية عددية.

  • $(u_n)$ مكبورة إذا وجد عدد حقيقي $M$ بحيث : $(\forall n\geq p)\ u_n\leq M$.
  • $(u_n)$ مصغورة إذا وجد عدد حقيقي $m$ بحيث : $(\forall n\geq p)\ u_n\geq m$.
  • $(u_n)$ محدودة إذا كانت مكبورة و مصغورة : $(\forall n\geq p)\ m\leq u_n\leq M$.

طريقة إثبات أن $(u_n)$ مكبورة بـ $M$

  • متتالية صريحة : ندرس إشارة $u_n-M$ (نبين أن $u_n-M\leq0$).
  • متتالية ترجعية : نستعمل الاستدلال بالترجع.

مثال متتالية صريحة

$u_n=\dfrac{2n+3}{n+1}$، $n\in\mathbb{N}$. بيّن أن $(\forall n\in\mathbb{N})\ 2<u_n\leq3$.

$u_n-2=\dfrac{2n+3-2(n+1)}{n+1}$

$=\dfrac{1}{n+1}>0$

إذن $u_n>2$ : $(u_n)$ مصغورة بالعدد $2$.

$u_n-3=\dfrac{2n+3-3(n+1)}{n+1}$

$=\dfrac{-n}{n+1}\leq0$

إذن $u_n\leq3$ : $(u_n)$ مكبورة بالعدد $3$.

$(u_n)$ محدودة : $(\forall n\in\mathbb{N})\ 2<u_n\leq3$

مثال متتالية ترجعية

$u_0=1$ و $u_{n+1}=\sqrt{u_n+2}$. بيّن بالترجع أن $(\forall n\in\mathbb{N})\ 0<u_n<2$.

التحقق : $u_0=1$ و $0<1<2$ ✔.

الوراثة : نفترض أن $0<u_n<2$ ونبين أن $0<u_{n+1}<2$.

$0<u_n<2\Rightarrow2<u_n+2<4$

$\Rightarrow\sqrt{2}<\sqrt{u_n+2}<2$ (الجذر المربع تزايدي)

$\Rightarrow0<u_{n+1}<2$ ✔

بالترجع : $(\forall n\in\mathbb{N})\ 0<u_n<2$

رتابة متتالية

تعريف

لتكن $(u_n)_{n\geq p}$ متتالية عددية.

  • $(u_n)$ تزايدية إذا كان $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}\geq u_n$ ؛
  • تزايدية قطعاً إذا كان $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}>u_n$ ؛
  • تناقصية إذا كان $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}\leq u_n$ ؛ تناقصية قطعاً إذا كان $u_{n+1}<u_n$ ؛
  • ثابتة إذا كان $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}=u_n$ ؛ رتيبة إذا كانت تزايدية أو تناقصية.

طريقة دراسة الرتابة

  • الطريقة 1 : ندرس إشارة $u_{n+1}-u_n$.
  • الطريقة 2 (إذا كانت كل الحدود $u_n>0$) : نقارن $\dfrac{u_{n+1}}{u_n}$ بالعدد $1$.
  • الطريقة 3 (إذا كان $u_n=f(n)$) : $f$ رتيبة على $[p;+\infty[$ ⇐ $(u_n)$ لها نفس الرتابة.

مثال الطريقة 1

$u_n=\dfrac{2n+3}{n+1}$

$u_{n+1}-u_n=\dfrac{2n+5}{n+2}-\dfrac{2n+3}{n+1}$

$=\dfrac{(2n+5)(n+1)-(2n+3)(n+2)}{(n+1)(n+2)}$

$=\dfrac{2n^2+7n+5-2n^2-7n-6}{(n+1)(n+2)}$

$=\dfrac{-1}{(n+1)(n+2)}<0$

$(u_n)$ تناقصية قطعاً

مثال الطريقة 2

$w_n=\dfrac{2^n}{n}$ من أجل $n\geq1$ : كل الحدود موجبة قطعاً.

$\dfrac{w_{n+1}}{w_n}=\dfrac{2^{n+1}}{n+1}\times\dfrac{n}{2^n}$

$=\dfrac{2n}{n+1}$

ولدينا $2n\geq n+1$ من أجل $n\geq1$، إذن $\dfrac{w_{n+1}}{w_n}\geq1$.

$(w_n)_{n\geq1}$ تزايدية

مثال متتالية ترجعية

$u_0=1$ و $u_{n+1}=\sqrt{u_n+2}$ ونعلم أن $0<u_n<2$. نستعمل المرافق :

$u_{n+1}-u_n=\sqrt{u_n+2}-u_n$

$=\dfrac{u_n+2-u_n^2}{\sqrt{u_n+2}+u_n}$

$=\dfrac{(2-u_n)(1+u_n)}{\sqrt{u_n+2}+u_n}$

$2-u_n>0$ و $1+u_n>0$ والمقام موجب، إذن $u_{n+1}-u_n>0$.

$(u_n)$ تزايدية قطعاً

ملاحظة

  • إذا كانت $(u_n)_{n\geq p}$ تزايدية فإنها مصغورة بحدها الأول $u_p$.
  • إذا كانت $(u_n)_{n\geq p}$ تناقصية فإنها مكبورة بـ $u_p$.

المتتاليات الحسابية

تعريف

تعريف

$(u_n)_{n\geq p}$ حسابية إذا وجد عدد حقيقي $r$ بحيث : $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}=u_n+r$.

العدد $r$ هو أساس المتتالية.

طريقة إثبات أن متتالية حسابية

نحسب $u_{n+1}-u_n$ : إذا كانت النتيجة ثابتة $r$ (لا تتعلق بـ $n$)، فإن المتتالية حسابية أساسها $r$.

مثال

$u_n=3n-5$

$u_{n+1}-u_n=3(n+1)-5-(3n-5)$

$=3$

$(u_n)$ حسابية أساسها $r=3$ وحدها الأول $u_0=-5$

مثال مثال مضاد

$v_n=n^2$ : $v_1-v_0=1$ لكن $v_2-v_1=3$.

الفرق غير ثابت : $(v_n)$ ليست حسابية

الحد العام والخاصية المميزة

خاصية

إذا كانت $(u_n)$ حسابية أساسها $r$ :

$(\forall n,m\geq p)\ u_n=u_m+(n-m)r$

وخاصة : $u_n=u_0+nr$ و $u_n=u_1+(n-1)r$.

الخاصية المميزة : الأعداد $a$ و $b$ و $c$ حدود متتابعة لمتتالية حسابية $\iff2b=a+c$.

ملاحظة الرتابة

$u_{n+1}-u_n=r$، إذن :

  • $r>0$ : $(u_n)$ تزايدية قطعاً ؛
  • $r<0$ : $(u_n)$ تناقصية قطعاً ؛
  • $r=0$ : $(u_n)$ ثابتة.

مثال

$(u_n)$ حسابية مع $u_3=9$ و $u_7=1$. أوجد $r$ ثم $u_n$.

$u_7=u_3+(7-3)r\iff1=9+4r$

$\iff r=-2$

$u_n=u_3+(n-3)r=9-2(n-3)$

$r=-2$ و $u_n=15-2n$

مجموع حدود متتابعة

خاصية

إذا كانت $(u_n)$ حسابية، فإن مجموع حدود متتابعة هو :

$S=N\times\dfrac{u_p+u_n}{2}$

حيث $N=n-p+1$ هو عدد الحدود في $u_p+u_{p+1}+\cdots+u_n$.

>> ترميز : $u_p+u_{p+1}+\cdots+u_n=\sum\limits_{k=p}^{n}u_k$.

جواب البرهان

نكتب المجموع في الاتجاهين ونجمع حداً بحد :

$S=u_p+u_{p+1}+\cdots+u_n$

$S=u_n+u_{n-1}+\cdots+u_p$

كل عمود يساوي $u_p+u_n$ (نضيف $r$ في الأعلى ونطرح $r$ في الأسفل)، ويوجد $N$ عموداً :

$2S=N(u_p+u_n)$

$S=N\times\dfrac{u_p+u_n}{2}$

مثال

1) $1+2+3+\cdots+n$ : $n$ حداً لمتتالية حسابية أساسها $1$.

$1+2+\cdots+n=\dfrac{n(n+1)}{2}$

2) $u_n=15-2n$ : $S=u_0+u_1+\cdots+u_{10}$ فيه $11$ حداً، $u_0=15$ و $u_{10}=-5$.

$S=11\times\dfrac{15+(-5)}{2}$

$S=55$

خطأ شائع

  • من $u_0$ إلى $u_{10}$ يوجد $11$ حداً (وليس $10$) : $N=n-p+1$.

المتتاليات الهندسية

تعريف

تعريف

$(u_n)_{n\geq p}$ هندسية إذا وجد عدد حقيقي $q$ بحيث : $(\forall n\geq p)\ u_{n+1}=q\,u_n$.

العدد $q$ هو أساس المتتالية.

طريقة إثبات أن متتالية هندسية

نعبر عن $u_{n+1}$ بدلالة $u_n$ ونُظهر $u_{n+1}=q\,u_n$ حيث $q$ ثابت.

>> إذا كانت الحدود غير منعدمة، يمكن أيضاً حساب $\dfrac{u_{n+1}}{u_n}$.

مثال

$u_n=3\times2^n$

$u_{n+1}=3\times2^{n+1}=2\times(3\times2^n)$

$=2u_n$

$(u_n)$ هندسية أساسها $q=2$ وحدها الأول $u_0=3$

الحد العام والخاصية المميزة

خاصية

إذا كانت $(u_n)$ هندسية أساسها $q$ :

$(\forall n,m\geq p)\ u_n=u_m\times q^{n-m}$

وخاصة : $u_n=u_0\times q^n$.

الخاصية المميزة : $a$ و $b$ و $c$ حدود متتابعة لمتتالية هندسية $\iff b^2=ac$.

ملاحظة الرتابة (من أجل $u_0>0$)

  • $q>1$ : $(u_n)$ تزايدية قطعاً ؛
  • $0<q<1$ : $(u_n)$ تناقصية قطعاً ؛
  • $q=1$ : $(u_n)$ ثابتة ؛ $q<0$ : الحدود تغير إشارتها، و $(u_n)$ ليست رتيبة.

مثال توظيف بفائدة مركبة

نوظف $10000$ درهم بفائدة $5\%$ في السنة. $C_n$ هو الرصيد بعد $n$ سنة.

كل سنة يُضرب الرصيد في $1+\dfrac{5}{100}=1{,}05$ : $C_{n+1}=1{,}05\,C_n$.

$(C_n)$ هندسية أساسها $1{,}05$ : $C_n=10000\times1{,}05^n$

مجموع حدود متتابعة

خاصية

إذا كانت $(u_n)$ هندسية أساسها $q\neq1$، فإن مجموع $N$ حداً متتابعاً ابتداءً من $u_p$ هو :

$S=u_p\times\dfrac{1-q^N}{1-q}$

إذا كان $q=1$، فكل الحدود متساوية و $S=N\,u_p$.

مثال

$S=1+2+2^2+\cdots+2^{10}$ : $11$ حداً لمتتالية هندسية حدها الأول $1$ وأساسها $2$.

$S=1\times\dfrac{1-2^{11}}{1-2}$

$=2^{11}-1$

$S=2047$

تطبيق متتالية مساعدة

$u_0=5$ و $u_{n+1}=\dfrac{1}{2}u_n+1$. نضع $v_n=u_n-2$.

1. بيّن أن $(v_n)$ هندسية.

2. استنتج $v_n$ ثم $u_n$ بدلالة $n$.

جواب

$v_{n+1}=u_{n+1}-2=\dfrac{1}{2}u_n+1-2$

$=\dfrac{1}{2}u_n-1$

$=\dfrac{1}{2}(u_n-2)=\dfrac{1}{2}v_n$

1) $(v_n)$ هندسية أساسها $\dfrac{1}{2}$ و $v_0=u_0-2=3$

$v_n=3\times\left(\dfrac{1}{2}\right)^n$ و $u_n=v_n+2$

2) $u_n=2+3\times\left(\dfrac{1}{2}\right)^n$

خطأ شائع

  • الحسابية : نضيف $r$ ؛ الهندسية : نضرب في $q$.
  • في $S=u_p\dfrac{1-q^N}{1-q}$، الأس $N$ هو عدد الحدود وليس آخر دليل.

للحفظ

  • مكبورة / مصغورة : إشارة $u_n-M$ أو الترجع ؛ الرتابة : إشارة $u_{n+1}-u_n$.
  • الحسابية : $u_{n+1}=u_n+r$، $u_n=u_p+(n-p)r$، $S=N\times\dfrac{u_p+u_n}{2}$.
  • الهندسية : $u_{n+1}=q\,u_n$، $u_n=u_p\,q^{n-p}$، $S=u_p\dfrac{1-q^N}{1-q}$ ($q\neq1$).

فنفس الدرس

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