Exercice 03-06
Soient \(a,b\in \mathbb{R}\), \(c,d\gt 0\), et soit \(x_n:= \frac{an+b}{cn+d}\). À l'aide de la définition de limite, montrer que
  1. Si \(a=2, b=-3, c=3, d=7\), alors \[ \lim_{n\to \infty} x_n=\frac{2}{3}\,. \]
  2. En général, quels que soient \(a,b,c,d\), \[ \lim_{n\to \infty} x_n=\frac{a}{c}\,. \]

il faut commencer par écrire explicitement ce que vaut la distance \[ |x_n-\tfrac23| =\Bigl| \tfrac{2n-3}{3n+7}-\tfrac{2}{3} \Bigr| \]

il n'y a à peu près aucune différence: on refait le même calcul avec des nombres \(a,b,c,d\) quelconques.

  1. Dans le cas particulier, commençons par étudier la différence \[ |x_n-\tfrac23| =\Bigl| \tfrac{2n-3}{3n+7}-\tfrac{2}{3} \Bigr|= \tfrac{23}{3(3n+7)}\,. \] Fixons un \(\varepsilon\gt 0\). On a \[\begin{aligned} |x_n-\tfrac23|\leqslant \varepsilon &\quad\Leftrightarrow\quad \tfrac{23}{3(3n+7)}\leqslant \varepsilon\\ &\quad\Leftrightarrow\quad n\geqslant \tfrac{1}{3}(\tfrac{23}{3\varepsilon}-7)\,. \end{aligned}\] Si on prend n'importe quel entier \(N\) plus grand que \(\frac{1}{3}(\tfrac{23}{3\varepsilon}-7)\), par exemple \[N:=\lfloor\tfrac{1}{3}(\tfrac{23}{3\varepsilon}-7)\rfloor+1\,,\] on a bien que \(|x_n-\frac23|\leqslant \varepsilon\) pour tout \(n\geqslant N\). Ceci montre donc bien que \(x_n\to \frac23\).
  2. En préparation, étudions la différence \[\begin{aligned} |x_n-\tfrac{a}{c}|&= \Bigl| \frac{an+b}{cn+d}-\frac{a}{c} \Bigr|\\ &= \Bigl| \frac{c(an+b)-a(cn+d)}{c(cn+d)} \Bigr|\\ &= \frac{|ad-bc|}{|c(cn+d)|} = \frac{|ad-bc|}{c} \frac{1}{cn+d} \end{aligned}\] Dans la dernière égalité, on a utilisé le fait que \(|cn+d|=cn+d\) (car \(c\gt 0\), \(d\gt 0\) et \(n\geqslant 1\)). Si maintenant on fixe \(\varepsilon\gt 0\), on aura \(|x_n-\frac{a}{c}|\leqslant \varepsilon\) si et seulement si \[ \frac{|ad-bc|}{c} \frac{1}{cn+d}\leqslant \varepsilon \quad\Leftrightarrow\quad n\geqslant \frac{1}{c}\left( \frac{|ad-bc|}{c\varepsilon}-d \right)\,. \] Ceci signifie qu'il existe \(N\) tel que \(|x_n-\frac{a}{c}|\leqslant \varepsilon\) pour tout \(n\geqslant N\).