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Opérations sur les Limites (Suites)

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Par Pimath, 6 juin, 2025

Les opérations sur les limites jouent un rôle fondamental en analyse mathématique, car elles permettent de calculer la limite d’une somme, d’un produit ou d’un quotient à partir des limites des suites considérées individuellement.

Dans cette page, nous démontrerons rigoureusement trois propriétés fondamentales :

  • la limite d’une somme ;
  • la limite d’un produit ;
  • la limite d’un quotient.

Sommaire

  • Limite de la somme
  • Limite du produit
  • Limite du quotient

Limite de la somme

Soient \((a_n)\) et \((b_n)\) deux suites réelles telles que :

\[ \lim_{n\to\infty} a_n=A \qquad \text{et} \qquad \lim_{n\to\infty} b_n=B. \]

Alors :

\[ \lim_{n\to\infty}(a_n+b_n)=A+B. \]

Démonstration. Nous voulons montrer que, pour tout \(\varepsilon>0\), il existe \(N\in\mathbb{N}\) tel que, pour tout \(n\geq N\),

\[ |(a_n+b_n)-(A+B)|<\varepsilon. \]

Observons que :

\[ |(a_n+b_n)-(A+B)| = |(a_n-A)+(b_n-B)|. \]

D’après l’inégalité triangulaire :

\[ |(a_n-A)+(b_n-B)| \leq |a_n-A|+|b_n-B|. \]

Comme \(a_n\to A\), il existe \(N_1\in\mathbb{N}\) tel que, pour tout \(n\geq N_1\),

\[ |a_n-A|<\frac{\varepsilon}{2}. \]

De même, comme \(b_n\to B\), il existe \(N_2\in\mathbb{N}\) tel que, pour tout \(n\geq N_2\),

\[ |b_n-B|<\frac{\varepsilon}{2}. \]

Posons alors :

\[ N=\max\{N_1,N_2\}. \]

Pour tout \(n\geq N\), on a simultanément :

\[ |a_n-A|<\frac{\varepsilon}{2} \qquad \text{et} \qquad |b_n-B|<\frac{\varepsilon}{2}. \]

Ainsi :

\[ |(a_n+b_n)-(A+B)| \leq |a_n-A|+|b_n-B| < \frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon. \]

Donc :

\[ \lim_{n\to\infty}(a_n+b_n)=A+B. \]


Limite du produit

Soient \((a_n)\) et \((b_n)\) deux suites réelles telles que :

\[ \lim_{n\to\infty} a_n=A \qquad \text{et} \qquad \lim_{n\to\infty} b_n=B. \]

Alors :

\[ \lim_{n\to\infty}(a_n b_n)=AB. \]

Démonstration. Nous voulons montrer que, pour tout \(\varepsilon>0\), il existe \(N\in\mathbb{N}\) tel que, pour tout \(n\geq N\),

\[ |a_n b_n-AB|<\varepsilon. \]

Écrivons :

\[ a_n b_n-AB = a_n b_n-A b_n+A b_n-AB. \]

Ainsi :

\[ a_n b_n-AB = (a_n-A)b_n+A(b_n-B). \]

En appliquant l’inégalité triangulaire :

\[ |a_n b_n-AB| \leq |a_n-A|\,|b_n| + |A|\,|b_n-B|. \]

Comme \(b_n\to B\), la suite \((b_n)\) est bornée à partir d’un certain rang. En particulier, en prenant \(1>0\), il existe \(N_0\in\mathbb{N}\) tel que, pour tout \(n\geq N_0\),

\[ |b_n-B|<1. \]

Donc :

\[ |b_n| = |b_n-B+B| \leq |b_n-B|+|B| < |B|+1. \]

Soit maintenant \(\varepsilon>0\). Comme \(a_n\to A\), il existe \(N_1\in\mathbb{N}\) tel que, pour tout \(n\geq N_1\),

\[ |a_n-A| < \frac{\varepsilon}{2(|B|+1)}. \]

De plus, comme \(b_n\to B\), il existe \(N_2\in\mathbb{N}\) tel que, pour tout \(n\geq N_2\),

\[ |b_n-B| < \frac{\varepsilon}{2(|A|+1)}. \]

Posons :

\[ N=\max\{N_0,N_1,N_2\}. \]

Alors, pour tout \(n\geq N\),

\[ |b_n|<|B|+1. \]

Par conséquent :

\[ |a_n-A|\,|b_n| < \frac{\varepsilon}{2(|B|+1)}(|B|+1) = \frac{\varepsilon}{2}. \]

En outre :

\[ |A|\,|b_n-B| \leq (|A|+1)|b_n-B| < (|A|+1)\frac{\varepsilon}{2(|A|+1)} = \frac{\varepsilon}{2}. \]

Finalement :

\[ |a_n b_n-AB| \leq |a_n-A|\,|b_n| + |A|\,|b_n-B| < \frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon. \]

Donc :

\[ \lim_{n\to\infty}(a_n b_n)=AB. \]


Limite du quotient

Soient \((a_n)\) et \((b_n)\) deux suites réelles telles que :

\[ \lim_{n\to\infty} a_n=A \qquad \text{et} \qquad \lim_{n\to\infty} b_n=B, \]

avec \(B\neq 0\).

Alors :

\[ \lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{b_n} = \frac{A}{B}. \]

Démonstration. Comme \(b_n\to B\) et \(B\neq 0\), il existe \(N_0\in\mathbb{N}\) tel que, pour tout \(n\geq N_0\),

\[ |b_n-B|<\frac{|B|}{2}. \]

D’après l’inégalité triangulaire inversée :

\[ |b_n| \geq |B|-|b_n-B| > |B|-\frac{|B|}{2} = \frac{|B|}{2}. \]

Ainsi, pour tout \(n\geq N_0\),

\[ |b_n|>\frac{|B|}{2}. \]

En particulier, \(b_n\neq 0\) à partir d’un certain rang.

Considérons maintenant :

\[ \left| \frac{a_n}{b_n}-\frac{A}{B} \right|. \]

Réécrivons cette différence :

\[ \left| \frac{a_n}{b_n}-\frac{A}{B} \right| = \left| \frac{B a_n-A b_n}{B b_n} \right|. \]

Ajoutons et retranchons \(AB\) au numérateur :

\[ B a_n-A b_n = B a_n-AB+AB-A b_n. \]

Donc :

\[ B a_n-A b_n = B(a_n-A)+A(B-b_n). \]

En appliquant l’inégalité triangulaire :

\[ |B a_n-A b_n| \leq |B|\,|a_n-A| + |A|\,|b_n-B|. \]

Par conséquent :

\[ \left| \frac{a_n}{b_n}-\frac{A}{B} \right| \leq \frac{|B|\,|a_n-A|+|A|\,|b_n-B|} {|B|\,|b_n|}. \]

Comme \(|b_n|>\dfrac{|B|}{2}\), on obtient :

\[ |B|\,|b_n| > |B|\cdot\frac{|B|}{2} = \frac{|B|^2}{2}. \]

Ainsi :

\[ \left| \frac{a_n}{b_n}-\frac{A}{B} \right| \leq \frac{2}{|B|^2} \left( |B|\,|a_n-A| + |A|\,|b_n-B| \right). \]

Soit maintenant \(\varepsilon>0\). Comme \(a_n\to A\), il existe \(N_1\in\mathbb{N}\) tel que, pour tout \(n\geq N_1\),

\[ |a_n-A| < \frac{\varepsilon |B|}{4}. \]

De plus, comme \(b_n\to B\), il existe \(N_2\in\mathbb{N}\) tel que, pour tout \(n\geq N_2\),

\[ |b_n-B| < \frac{\varepsilon |B|^2}{4(|A|+1)}. \]

Posons :

\[ N=\max\{N_0,N_1,N_2\}. \]

Alors, pour tout \(n\geq N\),

\[ |B|\,|a_n-A| < \frac{\varepsilon |B|^2}{4}. \]

En outre :

\[ |A|\,|b_n-B| \leq (|A|+1)|b_n-B| < \frac{\varepsilon |B|^2}{4}. \]

Donc :

\[ |B|\,|a_n-A| + |A|\,|b_n-B| < \frac{\varepsilon |B|^2}{2}. \]

Finalement :

\[ \left| \frac{a_n}{b_n}-\frac{A}{B} \right| < \frac{2}{|B|^2} \cdot \frac{\varepsilon |B|^2}{2} = \varepsilon. \]

Nous avons donc démontré que :

\[ \lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{b_n} = \frac{A}{B}. \]

La démonstration est ainsi achevée.


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