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Théorème de Conservation du Signe (Suites)

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Par Pimath, 5 juin, 2025

Le théorème de permanence du signe pour les suites énonce que, si une suite réelle \(a_n\) converge vers une limite \(L\neq 0\), alors il existe un rang \(N\in\mathbb{N}\) à partir duquel tous les termes de la suite ont le même signe que \(L\). Autrement dit :

\[ \lim_{n\to\infty} a_n = L \quad \text{avec } L>0 \,\implies\, \exists N\in\mathbb{N} \,:\, \forall n\geq N \, , \, a_n>0 \]

Si au contraire \(L<0\), alors :

\[ \lim_{n\to\infty} a_n = L \quad \text{avec } L<0 \,\implies\, \exists N\in\mathbb{N} \,:\, \forall n\geq N \, , \, a_n<0 \]

Par définition :

\[ \lim_{n\to\infty} a_n = L \,\iff\, \forall \varepsilon>0 \,\, \exists N\in\mathbb{N} \,:\, \forall n\geq N \, , \, |a_n-L|<\varepsilon \]

En particulier, en choisissant \[ \varepsilon=\frac{|L|}{2}, \] nous obtenons :

\[ L-\frac{|L|}{2} < a_n < L+\frac{|L|}{2} \]

Considérons maintenant les deux cas possibles.

  • Si \(L>0\), alors \( |L|=L \), donc :

\[ \frac{L}{2} < a_n < \frac{3L}{2} \qquad \forall n\geq N \]

En particulier :

\[ a_n>0 \qquad \forall n\geq N \]

  • Si \(L<0\), alors \( |L|=-L \), donc :

\[ -\frac{3|L|}{2} < a_n < -\frac{|L|}{2} \qquad \forall n\geq N \]

et par conséquent :

\[ a_n<0 \qquad \forall n\geq N \]

Dans les deux cas, à partir d’un certain rang \(N\), tous les termes de la suite ont le même signe que la limite \(L\).


Exercice 1. Considérons la suite :

\[ a_n=\frac{1}{n} \]

Calculons la limite :

\[ \lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}=0 \]

Comme la limite est nulle, le théorème de permanence du signe ne peut pas être appliqué. En effet, le théorème exige explicitement que \(L\neq 0\).

Exercice 2. Considérons la suite :

\[ a_n=\frac{3}{n}-2 \]

Calculons la limite :

\[ \lim_{n\to\infty}\left(\frac{3}{n}-2\right)=-2 \]

Choisissons :

\[ \varepsilon=1 \]

Nous devons trouver un rang \(N\) tel que :

\[ |a_n+2|<1 \qquad \forall n\geq N \]

Observons que :

\[ |a_n+2| = \left| \frac{3}{n} \right| = \frac{3}{n} \]

Nous imposons donc :

\[ \frac{3}{n}<1 \]

ce qui équivaut à :

\[ n>3 \]

Par conséquent, pour tout :

\[ n\geq 4 \]

on a :

\[ a_n<0 \]

Ainsi, à partir du rang \(4\), tous les termes de la suite sont négatifs, conformément au théorème de permanence du signe.

Exercice 3. Considérons la suite :

\[ a_n=\frac{5}{n}+1 \]

Calculons la limite :

\[ \lim_{n\to\infty}\left(\frac{5}{n}+1\right)=1 \]

Choisissons :

\[ \varepsilon=\frac{1}{2} \]

Nous devons trouver un rang \(N\) tel que :

\[ |a_n-1|<\frac{1}{2} \qquad \forall n\geq N \]

Observons que :

\[ |a_n-1| = \left| \frac{5}{n} \right| = \frac{5}{n} \]

Nous imposons donc :

\[ \frac{5}{n}<\frac{1}{2} \]

ce qui équivaut à :

\[ n>10 \]

Par conséquent, pour tout :

\[ n\geq 11 \]

on a :

\[ a_n>0 \]

Ainsi, à partir du rang \(11\), tous les termes de la suite sont positifs, conformément au théorème de permanence du signe.


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