Exercice 03-05
Soit \((x_n)_{n\geqslant 1}\) la suite définie ainsi: \[x_1=0.9\,,\quad x_2=0.99\,,\quad x_3=0.999\,,\quad x_4=0.9999\,,\qquad \text{etc.}\] Montrer que \(\displaystyle\lim_{n\to \infty} x_n= 1\).
Le but de cet exercice est de faire comprendre que \[ 0.99999\ldots=1\,. \]

étudier la différence \(|x_n-1|\), par exemple en écrivant ce qu'elle vaut pour les premiers indices \(n=1,2,3,\dots\)

une fois qu'on a explicitement la dépendance de \(|x_n-1|\) en fonction de \(n\), on peut fixer un \(\varepsilon\gt 0\), et trouver par le calcul un \(N\) tel que \(|x_n-1|\leqslant \varepsilon\) pour tout \(n\geqslant N\).

On aimerait montrer que pour tout \(\varepsilon\gt 0\), il existe \(N\) tel que \[ |x_n-1|\leqslant \varepsilon\qquad \forall n\geqslant N\,. \] Commençons par remarquer que \[\begin{aligned} |x_1-1|&=0.1=10^{-1}\\ |x_2-1|&=0.01=10^{-2}\\ \vdots&\\ |x_n-1|&=0.000\dots 01=10^{-n}\\ \vdots& \end{aligned}\] Maintenant si on fixe un \(\varepsilon>0\) petit, on a \[ 10^{-n}\leqslant \varepsilon \Longleftrightarrow -n\leqslant \log_{10}(\varepsilon) \Longleftrightarrow n\geqslant -\log_{10}(\varepsilon) \] (Voir ici pour un rappel sur le logarithme.)

Donc en définissant \(N:= \lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor+1\), on a bien que \(|x_n-1|\leqslant \varepsilon\) pour tout \(n\geqslant N\).