Fiche d’entraînement DS Terminale : suites, limites, continuité et convexité (avec corrigé)

Introduction :

Vous préparez un devoir surveillé de Terminale spécialité sur les suites et l’analyse ? Cette fiche d’entraînement avec corrigé détaillé rassemble 4 exercices de type bac, adaptés de sujets officiels récents (2022 à 2025), qui mobilisent ensemble toutes les notions du début d’année.

Au programme : suites définies par récurrence un+1 = f(un), raisonnement par récurrence, limites de fonctions et asymptotes, continuité et théorème des valeurs intermédiaires, dérivation (fonctions composées) et convexité. Deux exercices comportent un algorithme Python de seuil à corriger, une question classique du bac.

Les exercices sont adaptés des sujets du bac Centres étrangers 2024, Polynésie 2024, Polynésie 2022 et Métropole – Amérique du Nord 2025. Chaque question est accompagnée de son barème (4 exercices × 5 points), et le corrigé, placé à la suite de l’énoncé dans le même PDF, détaille chaque raisonnement.

Notre conseil : traitez la fiche en 2 heures, dans les conditions d’un devoir, avant de consulter le corrigé. Pour revoir les notions, retrouvez le cours sur la dérivation et la convexité et la fiche d’exercices n°5.

Mode d’emploi

Cherchez chaque exercice sur une feuille avant d’ouvrir le corrigé : c’est en cherchant qu’on progresse. Cliquez ensuite sur « Corrigé » sous l’exercice pour vérifier votre méthode.

Les quatre exercices sont adaptés de sujets officiels du baccalauréat (source indiquée sous chaque titre). Les questions marquées « complément » sont ajoutées pour l’entraînement. Barème : 4 × 5 points, durée conseillée 2 heures.

Exercice 1 · Limites, convexité et TVI (5 points) ★★★

D’après Bac spécialité, Centres étrangers, sujet 2, 6 juin 2024, Exercice 2.

On considère la fonction f définie sur l’intervalle ]-\infty\,;1[ par f(x)=\dfrac{\mathrm{e}^{x}}{x-1}. On note \mathcal C sa courbe représentative dans un repère orthonormé.

  1. a) (0,5 pt) Déterminer la limite de f en 1.
    b) (0,25 pt) Interpréter graphiquement ce résultat.
  2. (0,5 pt) Déterminer la limite de f en -\infty et interpréter graphiquement le résultat.
  3. a) (0,5 pt) Montrer que f est dérivable sur ]-\infty\,;1[ et que, pour tout x< 1 : f'(x)=\dfrac{(x-2)\,\mathrm{e}^{x}}{(x-1)^2}.
    b) (0,5 pt) En déduire le sens de variation de f et dresser son tableau de variations complet.
  4. On admet que f est deux fois dérivable sur ]-\infty\,;1[ et que, pour tout x< 1 : f''(x)=\dfrac{\mathrm{e}^{x}\left(x^2-4x+5\right)}{(x-1)^3}.
    a) (0,75 pt) Étudier la convexité de f sur ]-\infty\,;1[.
    b) (0,5 pt) Déterminer une équation de la tangente T à \mathcal C au point d’abscisse 0.
    c) (0,5 pt) En déduire que, pour tout réel x< 1 : \mathrm{e}^{x}\geqslant(-2x-1)(x-1).
  5. a) (0,5 pt) Démontrer que l’équation f(x)=-2 admet une unique solution \alpha sur ]-\infty\,;1[.
    b) (0,5 pt) Justifier que \alpha\in\,]0\,;1[, puis donner un encadrement de \alpha d’amplitude 10^{-2}.
Corrigé

1. a) \lim\limits_{x\to1}\mathrm{e}^{x}=\mathrm{e}>0 et, pour x< 1, \lim\limits_{x\to1^-}(x-1)=0^-. Par quotient : \displaystyle\lim_{x\to1^-}f(x)=-\infty.

b) La courbe \mathcal C admet une asymptote verticale d’équation x=1.

2. \lim\limits_{x\to-\infty}\mathrm{e}^{x}=0 et \lim\limits_{x\to-\infty}(x-1)=-\infty, donc par quotient \displaystyle\lim_{x\to-\infty}f(x)=0. La droite d’équation y=0 est asymptote horizontale à \mathcal C en -\infty.

3. a) f=\dfrac{u}{v} avec u(x)=\mathrm{e}^{x} et v(x)=x-1, dérivables sur ]-\infty\,;1[, et v ne s’annule pas sur cet intervalle : f est dérivable et

    \[f'(x)=\frac{\mathrm{e}^{x}(x-1)-\mathrm{e}^{x}\times1}{(x-1)^2}=\frac{(x-2)\,\mathrm{e}^{x}}{(x-1)^2}.\]

b) Pour x< 1 : x-2< 0, \mathrm{e}^{x}>0 et (x-1)^2>0, donc f'(x)< 0. La fonction f est strictement décroissante sur ]-\infty\,;1[.

x-\infty1
f'(x)-||
f0\searrow-\infty

4. a) \mathrm{e}^{x}>0 ; le trinôme x^2-4x+5 a pour discriminant \Delta=16-20=-4< 0, il est donc du signe de a=1, c’est-à-dire strictement positif ; enfin, pour x< 1, (x-1)^3< 0. Donc f''(x)< 0 sur ]-\infty\,;1[ : f est concave sur ]-\infty\,;1[.

b) f(0)=\dfrac{1}{-1}=-1 et f'(0)=\dfrac{-2\times1}{1}=-2. La tangente a pour équation y=f'(0)(x-0)+f(0), soit T : y=-2x-1.

c) f est concave sur ]-\infty\,;1[, donc \mathcal C est située en dessous de chacune de ses tangentes, en particulier de T : pour tout x< 1, \dfrac{\mathrm{e}^{x}}{x-1}\leqslant-2x-1. En multipliant par x-1< 0, l’inégalité change de sens : \mathrm{e}^{x}\geqslant(-2x-1)(x-1) pour tout x< 1.

5. a) f est continue (car dérivable) et strictement décroissante sur ]-\infty\,;1[, avec \lim\limits_{-\infty}f=0 et \lim\limits_{1^-}f=-\infty. Ainsi f réalise une bijection de ]-\infty\,;1[ sur ]-\infty\,;0[. Comme -2\in\,]-\infty\,;0[, d’après le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires, l’équation f(x)=-2 admet une unique solution \alpha sur ]-\infty\,;1[.

b) f(0)=-1>-2=f(\alpha) et f est strictement décroissante, donc \alpha>0 ; de plus \alpha< 1. À la calculatrice : f(0{,}31)\approx-1{,}976>-2 et f(0{,}32)\approx-2{,}025< -2, donc 0{,}31< \alpha< 0{,}32.

Exercice 2 · Suite récurrente u(n+1) = f(u(n)) (5 points) ★★★

D’après Bac spécialité, Polynésie, sujet 1, 19 juin 2024, Exercice 4.

On considère la fonction f définie sur ]-\infty\,;5[ par f(x)=\dfrac{4}{5-x}, et la suite (u_n) définie par u_0=3 et, pour tout entier naturel n, u_{n+1}=f(u_n). L’objectif est de conjecturer en partie A, puis de démontrer en partie B, le comportement de (u_n).

Partie A — Conjectures

  1. (0,5 pt) Recopier et compléter la fonction Python <code>suite(n)</code>, qui prend en paramètre le rang n et renvoie la valeur du terme u_n.
def suite(n):
    u = ...
    for i in range(n):
        ...
    return u
  1. (0,25 pt) L’appel <code>suite(2)</code> renvoie <code>1.3333333333333333</code>. Justifier cet affichage par un calcul.
  2. (0,25 pt) On obtient : <code>suite(5)</code> \approx1{,}005\,848 ; <code>suite(10)</code> \approx1{,}000\,006 ; <code>suite(20)</code> \approx1{,}000\,000. Émettre une conjecture sur le sens de variation et sur la convergence de (u_n).

Partie B — Démonstrations

  1. (0,5 pt) Montrer que f est croissante sur ]-\infty\,;5[.
  2. (1 pt) Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel n : 1\leqslant u_{n+1}\leqslant u_n\leqslant4.
  3. a) (0,5 pt) Montrer que, pour tout x< 5 : f(x)=x\iff x^2-5x+4=0.
    b) (0,5 pt) Résoudre l’équation f(x)=x sur ]-\infty\,;5[.
  4. (1 pt) Démontrer que (u_n) est convergente et déterminer sa limite.
  5. (0,5 pt) Le comportement de la suite serait-il le même en choisissant u_0=4 ? Justifier.
Corrigé

Partie A

1. Ligne 2 : <code>u = 3</code> ; ligne 4 : <code>u = 4/(5 – u)</code>.

2. u_1=\dfrac{4}{5-3}=2 puis u_2=\dfrac{4}{5-2}=\dfrac{4}{3}\approx1{,}333\,333, ce qui correspond à l’affichage.

3. On conjecture que (u_n) est décroissante et qu’elle converge vers 1.

Partie B

1. f(x)=4\times\dfrac{1}{5-x} est dérivable sur ]-\infty\,;5[ et f'(x)=\dfrac{4}{(5-x)^2}>0 : f est strictement croissante sur ]-\infty\,;5[.

2. Soit P(n) : « 1\leqslant u_{n+1}\leqslant u_n\leqslant4 ».

  • Initialisation. u_0=3 et u_1=2 : 1\leqslant2\leqslant3\leqslant4, donc P(0) est vraie.
  • Hérédité. Supposons P(n) vraie pour un entier n. Comme f est croissante sur [1\,;4]\subset\,]-\infty\,;5[, on obtient f(1)\leqslant f(u_{n+1})\leqslant f(u_n)\leqslant f(4), soit 1\leqslant u_{n+2}\leqslant u_{n+1}\leqslant4 puisque f(1)=1 et f(4)=4. Donc P(n+1) est vraie.
  • Conclusion. Par récurrence, 1\leqslant u_{n+1}\leqslant u_n\leqslant4 pour tout n\in\mathbb{N}.

3. a) Pour x< 5, 5-x\neq0 et : f(x)=x\iff\dfrac{4}{5-x}=x\iff4=x(5-x)\iff x^2-5x+4=0.

b) \Delta=25-16=9, d’où x_1=\dfrac{5-3}{2}=1 et x_2=\dfrac{5+3}{2}=4, tous deux dans ]-\infty\,;5[ : \mathcal S=\{1\,;4\}.

4. D’après B.2, (u_n) est décroissante et minorée par 1 : elle converge (théorème de la convergence monotone) vers un réel \ell avec 1\leqslant\ell\leqslant u_0=3. Comme f est continue en \ell et u_{n+1}=f(u_n), en passant à la limite on obtient f(\ell)=\ell, donc \ell\in\{1\,;4\}. Puisque \ell\leqslant3 : \displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_n=1.

5. Non. Si u_0=4, alors u_1=f(4)=4 et, par une récurrence immédiate, u_n=4 pour tout n : la suite est constante et converge vers 4 (point fixe de f), et non vers 1.

Exercice 3 · Une population d’oiseaux (5 points) ★★★

D’après Bac spécialité, Polynésie, sujet 2, 5 mai 2022, Exercice 3.

Au début de l’année 2021, une colonie d’oiseaux comptait 40 individus. L’observation conduit à modéliser l’évolution de la population par la suite (u_n) définie par u_0=40 et, pour tout entier naturel n : u_{n+1}=0{,}008\,u_n\,(200-u_n), où u_n désigne le nombre d’individus au début de l’année 2021+n. On note f la fonction définie sur [0\,;100] par f(x)=0{,}008\,x\,(200-x), de sorte que u_{n+1}=f(u_n).

  1. (0,25 pt) Donner une estimation, selon ce modèle, du nombre d’oiseaux au début de l’année 2022.
  2. (0,5 pt) Résoudre dans l’intervalle [0\,;100] l’équation f(x)=x.
  3. a) (0,75 pt) Démontrer que f est croissante sur [0\,;100] et dresser son tableau de variations.
    b) (1 pt) Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel n : 0\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant100.
    c) (0,5 pt) En déduire que la suite (u_n) est convergente.
    d) (1 pt) Déterminer la limite \ell de la suite (u_n). Interpréter le résultat dans le contexte de l’exercice.
  4. On considère la fonction Python ci-dessous.
def seuil(p):
    n = 0
    u = 40
    while u < p:
        n = n + 1
        u = 0.008 * u * (200 - u)
    return n

a) (0,5 pt) On saisit <code>seuil(100)</code> : le programme ne renvoie aucune valeur. Expliquer pourquoi, à l’aide de la question 3.
b) (0,5 pt) (complément) Pour quelles valeurs de <code>p</code> le programme s’arrête-t-il ? Modifier la fonction pour qu’elle renvoie <code>-1</code> lorsque la valeur de <code>p</code> ne permet pas d’arrêt, puis donner, en l’interprétant, la valeur renvoyée par <code>seuil(74)</code>.

Corrigé

1. u_1=0{,}008\times40\times160=51{,}2 : environ 51 oiseaux au début de 2022.

2. f(x)=x\iff x\big(0{,}008(200-x)-1\big)=0\iff x(0{,}6-0{,}008x)=0\iff x=0 ou x=\dfrac{0{,}6}{0{,}008}=75. \mathcal S=\{0\,;75\}.

3. a) f(x)=1{,}6x-0{,}008x^2 donc f'(x)=1{,}6-0{,}016x. Or 1{,}6-0{,}016x\geqslant0\iff x\leqslant100 : f'\geqslant0 sur [0\,;100] (nulle seulement en 100), donc f est croissante sur [0\,;100]. f(0)=0 et f(100)=80.

x0100
f'(x)+0
f0\nearrow80

b) Soit P(n) : « 0\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant100 ». Initialisation : 0\leqslant40\leqslant51{,}2\leqslant100. Hérédité : si P(n) est vraie, f étant croissante sur [0\,;100] : f(0)\leqslant f(u_n)\leqslant f(u_{n+1})\leqslant f(100), soit 0\leqslant u_{n+1}\leqslant u_{n+2}\leqslant80\leqslant100 : P(n+1) est vraie. Conclusion : 0\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant100 pour tout n.

c) La suite (u_n) est croissante et majorée par 100 : elle est convergente (convergence monotone).

d) Sa limite \ell vérifie 40=u_0\leqslant\ell\leqslant100. La fonction f (polynôme) est continue sur [0\,;100] ; en passant à la limite dans u_{n+1}=f(u_n), on obtient f(\ell)=\ell, donc \ell\in\{0\,;75\}. Comme \ell\geqslant40 : \ell=75. Interprétation : à long terme, la population se stabilise autour de 75 oiseaux.

4. a) La boucle tourne tant que u< 100. Or (u_n) est croissante et converge vers 75, donc u_n\leqslant75< 100 pour tout n (une suite croissante est majorée par sa limite). La condition <code>u < 100</code> est toujours vraie : la boucle est infinie et le programme ne renvoie rien.

b) f étant strictement croissante, f(x)=75\iff x=75 ; comme u_0\neq75, aucun terme n’est égal à 75, donc u_n< 75 pour tout n. Le programme s’arrête donc si et seulement si p< 75 (et renvoie 0 si p\leqslant40). Correction possible :

def seuil(p):
    if p >= 75:        # la suite ne dépasse jamais 75
        return -1
    n = 0
    u = 40
    while u < p:
        n = n + 1
        u = 0.008 * u * (200 - u)
    return n

u_5\approx73{,}60< 74 et u_6\approx74{,}42\geqslant74 : <code>seuil(74)</code> renvoie 6. C’est au début de l’année 2021+6= 2027 que la colonie atteint au moins 74 oiseaux.

Exercice 4 · Deux suites, une même limite (5 points) ★★★

D’après Bac spécialité, Métropole – Amérique du Nord (septembre), sujet 1, 9 septembre 2025, Exercice 3.

L’objectif de cet exercice est d’étudier la convergence de deux suites vers une même limite.

Partie A

On considère la fonction f définie sur [2\,;+\infty[ par f(x)=\sqrt{3x-2}, et la suite (u_n) définie par u_0=6 et, pour tout entier naturel n, u_{n+1}=f(u_n).

  1. (0,5 pt) Justifier le tableau de variations ci-dessous.
x2+\infty
f2\nearrow+\infty
  1. (0,75 pt) Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel n : 2\leqslant u_{n+1}\leqslant u_n\leqslant6. En déduire que (u_n) converge.
  2. (0,5 pt) Déterminer la limite de (u_n).
  3. On considère la fonction Python suivante.
from math import sqrt
def rang(a):
    n = 0
    u = 6
    while u >= a:
        n = n + 1
        u = sqrt(3*u - 2)
    return n

a) (0,25 pt) Justifier que <code>rang(2.000001)</code> renvoie une valeur.
b) (0,5 pt) Déterminer les valeurs du réel a pour lesquelles <code>rang(a)</code> renvoie une valeur.
c) (0,25 pt) (complément) Corriger la fonction pour qu’elle ne puisse jamais tourner indéfiniment (on renverra <code>None</code> dans les cas problématiques).

Partie B

On considère la suite (v_n) définie par v_0=6 et, pour tout entier naturel n, v_{n+1}=3-\dfrac{2}{v_n}. On admet que, pour tout n, v_n>2.

  1. (0,25 pt) Calculer v_1.
  2. Pour tout entier naturel n, on pose w_n=\dfrac{v_n-1}{v_n-2}.
    a) (0,5 pt) Démontrer que (w_n) est géométrique de raison 2 et préciser son premier terme.
    b) (0,5 pt) Exprimer w_n en fonction de n, puis montrer que v_n=\dfrac{2w_n-1}{w_n-1}.
    c) (0,25 pt) En déduire la limite de (v_n).
    d) (0,5 pt) Déterminer le plus petit entier n tel que v_n< 2{,}01.

Partie C

(0,25 pt) On admet que (v_n) est décroissante. Déterminer le plus petit entier N tel que, pour tout n\geqslant N, les termes u_n et v_n appartiennent tous deux à l’intervalle ]1{,}99\,;2{,}01[.

Corrigé

Partie A

1. Sur [2\,;+\infty[, 3x-2\geqslant4>0 ; f=\sqrt{u} avec u(x)=3x-2 est donc dérivable et f'(x)=\dfrac{u'(x)}{2\sqrt{u(x)}}=\dfrac{3}{2\sqrt{3x-2}}>0 : f est strictement croissante. f(2)=\sqrt4=2 et, par composition, \lim\limits_{x\to+\infty}\sqrt{3x-2}=+\infty. Le tableau est justifié.

2. Soit P(n) : « 2\leqslant u_{n+1}\leqslant u_n\leqslant6 ». Initialisation : u_0=6, u_1=\sqrt{16}=4 et 2\leqslant4\leqslant6\leqslant6. Hérédité : si P(n) est vraie, f étant croissante sur [2\,;+\infty[ : f(2)\leqslant f(u_{n+1})\leqslant f(u_n)\leqslant f(6), soit 2\leqslant u_{n+2}\leqslant u_{n+1}\leqslant4\leqslant6. Conclusion : P(n) est vraie pour tout n. La suite est décroissante et minorée par 2 : elle converge.

3. Sa limite \ell vérifie \ell\geqslant2 et, f étant continue sur [2\,;+\infty[, f(\ell)=\ell : \sqrt{3\ell-2}=\ell\iff3\ell-2=\ell^2 (car \ell\geqslant0) \iff\ell^2-3\ell+2=0\iff\ell\in\{1\,;2\}. Comme \ell\geqslant2 : \displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_n=2.

4. a) (u_n) converge vers 2< 2{,}000\,001 : l’intervalle ]1\,;2{,}000\,001[ contient la limite, donc il contient tous les termes à partir d’un certain rang. La condition <code>u >= a</code> finit par être fausse et la fonction renvoie une valeur (on trouve 49 à la calculatrice).

b) Si a>2 : même raisonnement, la fonction s’arrête (elle renvoie 0 si a>6). Si a\leqslant2 : pour tout n, u_n\geqslant2\geqslant a, la condition reste toujours vraie et la boucle est infinie. Conclusion : <code>rang(a)</code> renvoie une valeur si et seulement si a>2.

c) On ajoute un test en début de fonction :

from math import sqrt
def rang(a):
    if a <= 2:         # la suite ne passe jamais sous 2
        return None
    n = 0
    u = 6
    while u >= a:
        n = n + 1
        u = sqrt(3*u - 2)
    return n

Partie B

1. v_1=3-\dfrac{2}{6}=\dfrac{8}{3}.

2. a) Pour tout n :

    \[w_{n+1}=\frac{v_{n+1}-1}{v_{n+1}-2}=\frac{2-\frac{2}{v_n}}{1-\frac{2}{v_n}}=\frac{\frac{2(v_n-1)}{v_n}}{\frac{v_n-2}{v_n}}=2\times\frac{v_n-1}{v_n-2}=2\,w_n.\]

(w_n) est géométrique de raison 2, de premier terme w_0=\dfrac{6-1}{6-2}=\dfrac{5}{4}.

b) w_n=\dfrac{5}{4}\times2^n. De w_n(v_n-2)=v_n-1 on tire v_n(w_n-1)=2w_n-1 ; or w_n\geqslant\frac{5}{4}>1, donc w_n-1\neq0 et v_n=\dfrac{2w_n-1}{w_n-1}.

c) 2>1 donc \lim 2^n=+\infty et \lim w_n=+\infty. Comme v_n=\dfrac{2-\frac{1}{w_n}}{1-\frac{1}{w_n}}, on obtient \displaystyle\lim_{n\to+\infty}v_n=2.

d) v_n-2=\dfrac{2w_n-1-2(w_n-1)}{w_n-1}=\dfrac{1}{w_n-1}. Ainsi v_n< 2{,}01\iff\dfrac{1}{w_n-1}< 0{,}01\iff w_n-1>100\iff\dfrac{5}{4}\,2^n>101\iff2^n>80{,}8. Comme 2^6=64 et 2^7=128, le plus petit entier cherché est n=7 (v_6\approx2{,}0127 et v_7\approx2{,}0063).

Partie C

Pour tout n, u_n\geqslant2>1{,}99 et v_n>2>1{,}99 : seule la borne 2{,}01 compte. Les deux suites sont décroissantes ; à la calculatrice u_{16}\approx2{,}0116 et u_{17}\approx2{,}0087, donc u_n< 2{,}01 dès que n\geqslant17 ; et v_n< 2{,}01 dès que n\geqslant7. Donc N=17.


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Mission Maths 360 – Comprendre, s’entraîner et progresser en mathématiques.

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