Exercice 03-07
Parmi les affirmations suivantes, indiquer celles qui sont équivalentes à ''\(a_n\to L\)''.
  1. Pour tout \(\varepsilon>0\) il existe un entier \(N\) tel que \(|a_n-L|\leqslant \varepsilon\) pour tout \(n\geqslant N\).
  2. Pour tout \(\varepsilon>0\) il existe un entier \(N\) tel que \(|a_n-L|< \varepsilon\) pour tout \(n\geqslant N\).
  3. Pour tout \(j\in \mathbb{N}^*\) il existe un entier \(N\) tel que \(|a_n-L|\leqslant \frac{1}{j}\) pour tout \(n\geqslant N\).
  4. Il existe une constante \(C>0\) telle que pour tout \(\varepsilon>0\) il existe un entier \(N\) tel que \(|a_n-L|\leqslant C\varepsilon\) pour tout \(n\geqslant N\).
  5. Pour tout \(\varepsilon>0\) il existe un entier \(N\) tel que \(|a_n-L|\leqslant \varepsilon^2\) pour tout \(n\geqslant N\).
Dans le cours, on a défini ''\(a_n\to L\)'' avec la définition donnée au point 1.
Toutes ces affirmations sont équivalentes à la convergence de \(a_n\) vers \(L\). Donc cet exercice montre qu'on a une certaine flexibilité dans la façon dont on veut exprimer la notion de la limite. (Remarquons qu'elle a pourtant toujours la structure de ''pour tout \(\varepsilon\gt 0\), il existe un \(N\) tel que...'')

Montrons par exemple que les définitions 1. et 2. sont équivalentes.

Supposons que \((a_n)\) vérifie 1. Fixons \(\varepsilon\gt 0\). Puisque \((a_n)\) vérifie 1., on peut définir \(\varepsilon'=\frac{\varepsilon}{2}\), et garantir qu'il existe \(N\) tel que \(|a_n-L|\leqslant \varepsilon'\) pour tout \(n\geqslant N\). Puisque \(\varepsilon'\lt \varepsilon\), ceci implique en particulier que \(|a_n-L|\lt \varepsilon\), pour tout \(n\geqslant N\). Donc \((a_n)\) vérifie 2. aussi.

Supposons que \((a_n)\) vérifie 2. Fixons \(\varepsilon\gt 0\). Puisque \((a_n)\) vérifie 2., il existe \(N\) tel que \(|a_n-L|\lt \varepsilon\). Ceci implique en particulier que \(|a_n-L|\leqslant \varepsilon\). Donc \((a_n)\) vérifie 1. aussi.

Les autres équivalences se montrent de façon similaire.