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Cours – Suites géométriques

BTS SIO SISR 2e année – Pour aller plus loin – S03 – à lire avant les exercices

Ce que tu dois savoir déjà

  • Prérequis : S02 (suites arithmétiques) ; les pourcentages d'évolution (coefficient multiplicateur).
  • Outils : Papier, calculatrice, éditeur Python intégré au site

À la fin de ce cours tu sauras

  • Reconnaître une suite géométrique et déterminer sa raison ;
  • Écrire le terme général ;
  • Calculer la somme de termes consécutifs ;
  • Modéliser une croissance exponentielle (doublement, taux) ;
  • Programmer et tester une suite géométrique.

I. Définition

Une suite \((u_n)\) est géométrique s'il existe un nombre \(q\), la raison, tel que pour tout \(n\) :

\[ u_{n+1} = q \, u_n \]

On multiplie toujours par le même nombre. Si aucun terme n'est nul, on le vérifie avec les rapports \(\dfrac{u_{n+1}}{u_n}\).

Exemple : \(3, 6, 12, 24, \dots\) a pour raison \(q = 2\). La suite \(2, 5, 8, \dots\) n'est pas géométrique (rapports 2,5 puis 1,6) ; elle est arithmétique.

II. Terme général

\[ u_n = u_0 \, q^n \qquad \text{et plus généralement} \qquad u_n = u_p \, q^{\,n-p} \]

Exemple : \(u_0 = 3\), \(q = 2\) : \(u_{10} = 3 \times 2^{10} = 3\,072\).

Sens de variation (avec \(u_0 > 0\)) :

Raison Comportement
\(q > 1\) croissante
\(0 < q < 1\) décroissante
\(q = 1\) constante
\(q < 0\) les signes alternent (ni croissante ni décroissante)

III. Pourcentages d'évolution

Augmenter de \(t\,\%\) revient à multiplier par \(1 + \dfrac{t}{100}\) ; diminuer de \(t\,\%\), par \(1 - \dfrac{t}{100}\). Une évolution de \(t\,\%\) par période donne donc une suite géométrique de raison \(q = 1 \pm \dfrac{t}{100}\).

Exemples : +20 % par mois : \(q = 1{,}2\). −15 % par an : \(q = 0{,}85\).

Warning

Deux augmentations successives de 20 % ne font pas 40 % : elles multiplient par \(1{,}2 \times 1{,}2 = 1{,}44\), soit +44 %.

IV. Somme de termes consécutifs

Pour \(q \ne 1\) :

\[ u_0 + u_1 + \dots + u_n = u_0 \, \frac{1 - q^{\,n+1}}{1 - q} \]

Pour \(q = 1\), tous les termes valent \(u_0\) et la somme vaut \((n+1)\,u_0\).

Pourquoi ? En notant \(S\) la somme, \(qS = u_1 + \dots + u_{n+1}\). En retranchant : \(S - qS = u_0 - u_{n+1} = u_0(1 - q^{n+1})\), d'où la formule.

Exemple : \(1 + 2 + 4 + \dots + 2^{10} = \dfrac{1 - 2^{11}}{1 - 2} = 2^{11} - 1 = 2\,047\).

Tip

Une somme de puissances de 2 vaut « la puissance suivante moins 1 » : pratique pour compter des valeurs en binaire (un nombre de \(k\) bits va de 0 à \(2^k - 1\)).

V. Arithmétique ou géométrique ?

Question Arithmétique Géométrique
Ce qui est constant la différence le rapport
Évolution linéaire exponentielle
Exemple +25 Mo de plus chaque jour +20 % chaque mois

Une croissance exponentielle finit toujours par dépasser une croissance linéaire, même si elle démarre plus bas.

VI. En Python

def terme(u0, q, n):
    return u0 * q ** n

def somme(u0, q, n):          # entiers, q != 1
    return u0 * (q ** (n + 1) - 1) // (q - 1)

Avec des taux décimaux, les flottants donnent des valeurs approchées : on arrondit à l'affichage (round(x, 2)) et on ne teste pas une égalité exacte.

Test flash. Un trafic de 500 Go augmente de 20 % par mois. Quel trafic après 3 mois ?

Voir la réponse

\(500 \times 1{,}2^3 = 500 \times 1{,}728 = 864\) Go.

À retenir

  • Géométrique : \(u_{n+1} = q\,u_n\) ; \(u_n = u_0 q^n\).
  • Évolution de \(t\,\%\) : \(q = 1 \pm t/100\) ; deux évolutions se multiplient, elles ne s'additionnent pas.
  • Somme : \(u_0 \dfrac{1 - q^{n+1}}{1 - q}\) pour \(q \ne 1\).
  • Exponentielle : finit par dépasser toute croissance linéaire.