Exercice 05-03
Considérer la suite \(a_n:= \sqrt{n}\).
  1. Montrer que pour tout entier \(p\gt 0\) fixé, on a que \(|a_n-a_{n+p}|\to 0\) lorsque \(n\to \infty\).
  2. Est-ce que \((a_n)\) est une suite de Cauchy?
Un bon exercice pour apprécier la subtilité de la définition de suite de Cauchy!
  1. Pour tout entier \(p\gt 0\) fixé, en multipliant et divisant par le conjugué, \[\begin{aligned} |a_{n+p}-a_n|=|\sqrt{n+p}-\sqrt{n}| &=\frac{p}{\sqrt{n+p}+\sqrt{n}}\\ &\leqslant\frac{p}{2\sqrt{n}}\,, \end{aligned}\] et donc \[ \lim_{n\to\infty}|a_{n+p}-a_n|=0\,. \]
  2. Pourtant, \(a_n=\sqrt{n}\to \infty\), donc \(a_n\) est divergente, donc ce n'est pas une suite de Cauchy. (Car dans \(\mathbb{R}\), une suite est de Cauchy si et seulement si elle converge.)


Cet exemple montre bien que dans la définition de suite de Cauchy, \(|a_n-a_m|\) doit devenir petit lorsque \(m\) et \(n\) deviennent grands, mais ils n'ont pas besoin d'être à distance fixe: \(|m-n|\) peut être arbitrairement grand. Or ci-dessus, lorsqu'on a montré que \(|a_n-a_{n+p}|\to 0\), on a en fait considéré un \(m=n+p\) qui est à distance fixe de \(n\), puisque \(|m-n|=p\). Or deux points sur le graphe de la suite \(a_n=\sqrt{n}\), à distance horizontale fixe \(p\), ont des hauteurs de plus en plus proches, même si ces hauteurs deviennent grandes lorsque les deux points s'éloignent de l'origine: