Croissances comparées : exp(n) domine n^k

Définition, méthode rigoureuse, exemples corrigés et exercice type BAC.

📚 Terminale Spécialité Maths ⏱ Lecture : 5 min ✅ Programme officiel BO 2019

Les croissances comparées permettent de déterminer la limite d'expressions indéterminées de la forme $\frac{f(n)}{g(n)}$ ou $f(n) × g(n)$ lorsque $n \to +\infty$. Pour les suites, la propriété fondamentale est que l'exponentielle l'emporte sur toute puissance de $n$, c'est-à-dire que pour tout entier naturel $k \geq 1$, $\lim_{n\to+\infty} \frac{e^n}{n^k} = +\infty$ et $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^k}{e^n} = 0$.

💡 Bon réflexe : Face à une forme indéterminée avec exponentielle et puissance, toujours factoriser par le terme qui croît le plus vite pour faire apparaître les formes de croissances comparées.
2ⁿln n2ⁿ ≫ nᵖ ≫ ln n
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Identifier la forme indéterminée

Avant d'appliquer les croissances comparées, il est crucial de reconnaître une forme indéterminée du type $\frac{\infty}{\infty}$, $\frac{0}{0}$, $0 × \infty$, ou $\infty - \infty$. Si la limite est directe, les croissances comparées ne sont pas nécessaires.

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Mettre en évidence les termes dominants

Factoriser l'expression par le terme qui "croît le plus vite" au numérateur et au dénominateur. Cela permet de faire apparaître des quotients de la forme $\frac{e^n}{n^k}$ ou $\frac{n^k}{e^n}$.

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Appliquer la propriété des croissances comparées

Utiliser la propriété fondamentale : pour tout entier naturel $k \geq 1$, $\lim_{n\to+\infty} \frac{e^n}{n^k} = +\infty$ et $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^k}{e^n} = 0$. On peut aussi utiliser la forme équivalente avec $\ln(n)$ : pour tout $k \geq 1$, $\lim_{n\to+\infty} \frac{\ln(n)}{n^k} = 0$ et $\lim_{n\to+\infty} n^k \ln(n) = +\infty$.

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Conclure sur la limite de l'expression

Après avoir appliqué les croissances comparées, simplifier l'expression et calculer la limite des termes restants. La limite finale sera souvent $0$, $+\infty$, ou $-\infty$.

Soit la suite $(u_n)$ définie pour tout entier naturel $n$ par $u_n = \frac{e^n + n^2}{n^3 + 2e^n}$. Déterminer la limite de la suite $(u_n)$ lorsque $n \to +\infty$.

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Identifier la forme indéterminée
Lorsque $n \to +\infty$, $e^n \to +\infty$ et $n^2 \to +\infty$, donc le numérateur $e^n + n^2 \to +\infty$. De même, $n^3 \to +\infty$ et $2e^n \to +\infty$, donc le dénominateur $n^3 + 2e^n \to +\infty$. On a donc une forme indéterminée du type $\frac{\infty}{\infty}$.
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Mettre en évidence les termes dominants
Au numérateur, $e^n$ croît plus vite que $n^2$. Au dénominateur, $2e^n$ croît plus vite que $n^3$. Nous allons factoriser par $e^n$ au numérateur et au dénominateur :$$u_n = \frac{e^n \left(1 + \frac{n^2}{e^n}\right)}{e^n \left(\frac{n^3}{e^n} + 2\right)}$$
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Simplifier et appliquer les croissances comparées
On peut simplifier par $e^n$ :$$u_n = \frac{1 + \frac{n^2}{e^n}}{\frac{n^3}{e^n} + 2}$$D'après les croissances comparées, pour tout entier $k \geq 1$, $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^k}{e^n} = 0$.
Ainsi, $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^2}{e^n} = 0$ et $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^3}{e^n} = 0$.
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Conclure sur la limite
En remplaçant les limites des termes :$$\lim_{n\to+\infty} u_n = \frac{1 + 0}{0 + 2} = \frac{1}{2}$$

La limite de la suite $(u_n)$ lorsque $n \to +\infty$ est $\frac{1}{2}$.

  1. Ne pas factoriser par le terme dominant avant d'appliquer les croissances comparées, ce qui peut mener à des erreurs de calcul ou à ne pas voir la forme simplifiée.
  2. Confondre les ordres de croissance : penser que $n^k$ domine $e^n$, ou que $\ln(n)$ domine $n^k$. Toujours se rappeler que $e^n$ domine $n^k$, qui domine $\ln(n)$.
  3. Appliquer les croissances comparées à des termes isolés sans avoir transformé l'expression globale pour lever l'indétermination.

Soit la suite $(u_n)$ définie pour tout entier naturel $n \geq 0$ par $u_n = \frac{e^{2n} - n^4}{e^{2n} + n^2 \ln(n+1)}$.

  1. Déterminer la limite de la suite $(u_n)$ lorsque $n \to +\infty$.
  2. On considère la suite $(v_n)$ définie pour tout entier naturel $n \geq 1$ par $v_n = n^2 e^{-n}$. Montrer que $\lim_{n\to+\infty} v_n = 0$.
  3. En déduire la limite de la suite $(w_n)$ définie par $w_n = \frac{n^2}{e^n + 1}$ lorsque $n \to +\infty$.
  1. Pour déterminer la limite de $u_n = \frac{e^{2n} - n^4}{e^{2n} + n^2 \ln(n+1)}$ lorsque $n \to +\infty$ :

    Lorsque $n \to +\infty$, $e^{2n} \to +\infty$, $n^4 \to +\infty$, $n^2 \ln(n+1) \to +\infty$. On a une forme indéterminée du type $\frac{\infty}{\infty}$.

    Factorisons par le terme dominant au numérateur et au dénominateur, qui est $e^{2n}$ :$$u_n = \frac{e^{2n} \left(1 - \frac{n^4}{e^{2n}}\right)}{e^{2n} \left(1 + \frac{n^2 \ln(n+1)}{e^{2n}}\right)} = \frac{1 - \frac{n^4}{e^{2n}}}{1 + \frac{n^2 \ln(n+1)}{e^{2n}}}$$

    D'après les croissances comparées, $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^k}{e^n} = 0$ pour tout $k \geq 1$. Par conséquent, $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^4}{e^{2n}} = 0$ (car $e^{2n} = (e^n)^2$ croît encore plus vite que $e^n$).

    Pour le terme $\frac{n^2 \ln(n+1)}{e^{2n}}$, on peut l'écrire $\frac{n^2}{e^n} \times \frac{\ln(n+1)}{e^n}$.
    On sait que $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^2}{e^n} = 0$.
    De plus, $\lim_{n\to+\infty} \frac{\ln(n+1)}{e^n} = 0$ car $\ln(n+1)$ croît beaucoup moins vite que $e^n$.
    Donc, par produit de limites, $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^2 \ln(n+1)}{e^{2n}} = 0 \times 0 = 0$.

    En substituant ces limites dans l'expression de $u_n$ :$$\lim_{n\to+\infty} u_n = \frac{1 - 0}{1 + 0} = 1$$

  2. Pour montrer que $\lim_{n\to+\infty} v_n = 0$ avec $v_n = n^2 e^{-n}$ :

    On peut réécrire $v_n = \frac{n^2}{e^n}$.

    D'après la propriété des croissances comparées, pour tout entier naturel $k \geq 1$, $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^k}{e^n} = 0$.

    En prenant $k=2$, on a directement $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^2}{e^n} = 0$.

    Donc, $\lim_{n\to+\infty} v_n = 0$.

  3. Pour déduire la limite de la suite $(w_n)$ définie par $w_n = \frac{n^2}{e^n + 1}$ :

    Lorsque $n \to +\infty$, le numérateur $n^2 \to +\infty$ et le dénominateur $e^n + 1 \to +\infty$. On a une forme indéterminée du type $\frac{\infty}{\infty}$.

    Factorisons le dénominateur par $e^n$ :$$w_n = \frac{n^2}{e^n \left(1 + \frac{1}{e^n}\right)} = \frac{n^2}{e^n} \times \frac{1}{1 + \frac{1}{e^n}}$$

    Nous avons montré à la question précédente que $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^2}{e^n} = 0$.

    De plus, $\lim_{n\to+\infty} e^n = +\infty$, donc $\lim_{n\to+\infty} \frac{1}{e^n} = 0$.

    Par conséquent, $\lim_{n\to+\infty} \left(1 + \frac{1}{e^n}\right) = 1 + 0 = 1$.

    En utilisant le produit des limites :$$\lim_{n\to+\infty} w_n = \left(\lim_{n\to+\infty} \frac{n^2}{e^n}\right) \times \left(\lim_{n\to+\infty} \frac{1}{1 + \frac{1}{e^n}}\right) = 0 \times \frac{1}{1} = 0$$

    Donc, $\lim_{n\to+\infty} w_n = 0$.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que cela signifie que 'l'exponentielle l'emporte sur toute puissance de $n$' ?
Cela signifie que lorsque $n$ tend vers l'infini, la fonction exponentielle $e^n$ croît beaucoup plus rapidement que n'importe quelle puissance de $n$, $n^k$ (où $k$ est un entier positif). Mathématiquement, cela se traduit par $\lim_{n\to+\infty} \frac{e^n}{n^k} = +\infty$ et $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^k}{e^n} = 0$.
Les croissances comparées s'appliquent-elles aussi aux fonctions continues ?
Oui, les propriétés de croissances comparées sont également valables pour les fonctions continues lorsque $x \to +\infty$. Par exemple, $\lim_{x\to+\infty} \frac{e^x}{x^k} = +\infty$ et $\lim_{x\to+\infty} \frac{\ln(x)}{x^k} = 0$ pour tout $k > 0$.
Y a-t-il d'autres types de croissances comparées à connaître ?
Oui, il est également important de connaître la comparaison entre les puissances de $n$ et le logarithme népérien. Pour tout entier naturel $k \geq 1$, $\lim_{n\to+\infty} \frac{n^k}{\ln(n)} = +\infty$ et $\lim_{n\to+\infty} \frac{\ln(n)}{n^k} = 0$. En résumé, $e^n$ domine $n^k$, qui domine $\ln(n)$.
Comment gérer les expressions avec $e^{-n}$ ?
Les expressions avec $e^{-n}$ peuvent être réécrites comme $\frac{1}{e^n}$. Par exemple, $\lim_{n\to+\infty} n^k e^{-n} = \lim_{n\to+\infty} \frac{n^k}{e^n} = 0$ d'après les croissances comparées. Cela signifie que $e^{-n}$ tend vers $0$ beaucoup plus vite que $n^k$ ne tend vers l'infini.

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